HR3C焊接接头700℃长期时效后的组织与性能分析

张学鹏，王 萍

(哈尔滨锅炉厂有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150046)

HR3C焊接接头700℃长期时效后的组织与性能分析

张学鹏，王 萍

(哈尔滨锅炉厂有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150046)

对HR3C钢焊接接头在700℃长期时效后进行了力学性能、系列冲击试验，采用光学显微镜对焊缝的显微组织进行了观察与分析。结果表明，HR3C焊接接头在700℃长期时效后拉伸性能良好，但晶界和晶内均有化合物析出，弯曲试样已发生脆断。

时效处理；HR3C；焊接接头

0 前言

HR3C(25Cr-20Ni-Nb-N)即ASME CODE CASE 2115是日本住友金属工业株式会社研制开发的新型奥氏体不锈钢管。HR3C(SA-213TP310HCbN)是TP310耐热钢的改良钢种，与普通的TP310钢化学成分的区别仅在于添加了质量分数为0.20%～0.60%的Nb和质量分数为0.15%～0.35%的N，使新钢种的高温性能大大提高。其蠕变断裂强度的提高主要是在钢时效过程中析出了NbCrN，NbCrN氮化物非常细小而且特别稳定，即使长时间时效，组织也很稳定，大大提高了蠕变断裂强度，同时加入微量的N对抑制σ相的形成、改善韧性也有好处。

HR3C主要用于超超临界(USC)火力发电机组锅炉受热面中的高温过热器、再热器等部件，使用温度700℃，长期处于环境恶劣的条件之下，因此所用钢材在满足持久强度、蠕变强度要求的同时，还要满足管子外壁抗烟气腐蚀和抗飞灰冲蚀性能、管子内壁抗蒸汽氧化性能，所以采用具有抗烟气腐蚀、抗高温腐蚀和高温蒸汽氧化能力强的高铬镍奥氏体钢HR3C。

随着国内电站锅炉向大容量、高参数的方向迅猛发展，锅炉行业在制造大容量、高参数超超临界锅炉所需要的HR3C钢必将越来越多，因此，掌握HR3C钢的焊接工艺和焊后的力学性能就显得尤为重要。

1 试验方法

1.1 试验材料

试验采用HR3C钢管的规格为φ 54mm×14 mm，化学成分如表1所示，力学性能如表2所示。

表1 HR3C化学成分 %

表2 HR3C力学性能(常温)

1.2 试验方法

试验的所有力学性能试样均为在钢管对焊后纵向取样，焊材选用ERNiCr-3(ASME标准号)，化学成分如表3所示。

试验采用脉冲热丝钨极氩弧焊，工艺参数如表4所示。

表3 镍基焊材ERNiCr-3的化学成分%

表4 焊接工艺参数

为了更好地模拟焊接接头长期在高温服役的实际情况，对HR3C的焊接接头进行了高温时效试验，试验在高温长均热区试验电炉中进行。根据HR3C在超超临界锅炉中的使用温度，本试验的时效温度为700℃，腐蚀介质为空气，时间分别为0，300 h，1 000 h，3 000 h，10 000 h，时效处理后对焊接接头进行拉伸、弯曲、冲击、金相、硬度等试验，考核其焊接接头微观组织的稳定性以及是否有σ相析出[1]。

使用AXIOVERT 200 MAT显微镜(CCD图像采集系统)进行金相组织观察，采用RKP-300型冲击试验机进行冲击试验，在AG-10TA万能试验拉伸机进行拉伸试验。

2 试验结果和分析

2.1 微观组织分析

HR3C焊接接头室温焊缝和热影响区的微观组织为奥氏体+少量铁素体，母材为奥氏体。

图1显示的是经过300h、1000h、3000h、10000h时效处理后母材(350×)、焊缝(350×)和热影响区(350×)微观组织的金相照片。

从图1可以看出，焊接接头的组织状态与时效处理时间关系密切，经过长时间时效处理后，HR3C焊接接头的金相组织发生了一些变化。经过300 h时效处理的母材试样晶界有断续碳化物析出，晶内碳化物析出不明显，随着时效时间的增加，晶界碳化物逐渐呈连续状分布，晶内析出逐渐增加，当时效时间达10 000 h时晶内析出已经非常明显。

焊缝金相组织为γ固溶体和少量的铁素体，经过300 h时效处理的试样枝晶偏析较明显，在枝晶偏析处有少量颗粒化合物存在，柱状晶晶界处有细小不连续的化合物析出。随着时效时间的增加晶界化合物逐渐增加并且长大，晶内枝晶间也有弥散的化合物析出，并且随时间的增加，化合物集聚并长大。当经过10 000 h时效处理后，枝晶间可见保持一定位向的针状析出物。

由于在焊接过程中采用水冷装置对焊接接头喷水冷却，严格控制了层间温度，加速了焊接接头的冷却速度，缩短了焊缝在高温区域的停留时间，使得热影响区非常狭窄。热影响区金相组织形貌和变化趋势基本与母材相同，只是热影响区晶界碳化物稍多些，时效试样靠近熔合线处晶界和晶内可见碳化物呈密集颗粒状或碎块状析出[2]。

2.2 冲击试验分析

焊缝区域韧性冲击值与时效时间的关系如图2所示，由图2可以看出，冲击值随着时效时间的增加呈下降趋势，当时效时间超过3 000 h后，焊缝的韧性冲击值趋于稳定，始终维持在100 J左右。

究其原因：焊接接头采用的填充材料是ERNiCr-3，属于镍基合金，这种镍基合金含有质量分数约20%的Cr，Cr是稳定合金表面最重要的元素，它在焊缝表面形成抗氧化和抗腐蚀的保护层Cr2O3，阻止了金属元素向外扩散和O、S和其他有害元素向内扩散，增强了焊缝的抗氧化和热腐蚀能力。另外，这种镍基合金中加入了Nb、Ti、Co等多种微量元素，这些微量元素的化合物固溶于γ晶格中，提高了奥氏体相的稳定性[3]。

图1 焊接接头金相照片

图2 焊缝冲击值

图3 热影响区冲击值

时效时间的增加导致晶界和晶内析出的化合物增多，焊缝组织中微量元素的固溶强化作用减弱，焊缝韧性降低。但当时效时间超过3 000 h后，晶界的针状析出物数量基本保持不变，微量元素的固溶作用消失，焊缝的韧性趋于稳定。

热影响区冲击值与时效时间的关系如图3所示，由图3可以看出，随着时效时间的增加，韧性冲击值明显下降，当时效时间超过1 000 h后，热影响区的韧性冲击值已经低于31 J，而且从冲击试样断口形貌看，母材已脆化。

究其原因：随着时效时间的延长，晶界和晶间化合物析出都随之增加，并逐渐呈连续状分布，导致了焊缝的韧性冲击值急剧下降。

2.3 拉伸试验分析

经过时效处理后的焊接接头拉伸试验按照《蒸汽锅炉安全技术监察规程》和ASME的室温拉伸试验方法测定，测试结果合格，试样均断于焊缝区位置。

拉伸试验值如图4所示。由图4可知，经过长时间高温时效处理后，焊接接头拉伸试验结果合格，均高于母材要求的最低值，并且均断于焊缝区域，说明这种焊接接头的拉伸性能并没有随着时效时间的增加而降低。断裂位置发生在焊缝区域，说明母材的强度高于焊缝，主要是因为经过时效处理后母材晶间有化合物析出，降低了母材韧性，但拉伸强度却有明显的提高。

图4 拉伸试验值

2.4 弯曲试验分析

弯曲试验数据如表5所示。从表5可以看出，时效时间达到3 000 h后，焊接接头的塑性仍然良好，所有弯曲试验结果均合格；经过10 000 h时效后所有焊接接头均在弯曲时发生脆断，断裂位置发生在热影响区附近的母材上，主要是因为晶间化合物的析出导致母材塑性不足而发生断裂，从断口形貌分析为脆性断口。

表5 弯曲试验

2.5 硬度试验分析

硬度试验值如图5所示。由图5可知，经过300h、1 000 h、3 000 h时效处理后，焊缝、热影响区和母材的硬度变化不大；而经过10 000 h时效处理后，焊缝、热影响区和母材的硬度却有了明显的提高，说明经过10 000 h时效处理后，焊接接头的组织已经发生了明显的改变，其中母材和热影响区的硬度明显高于焊缝的硬度。

图5 硬度试验值

3 结论

(1)经过长时间高温时效后，焊缝、母材、热影响区的金相组织都发生了明显的改变，晶界和晶内均有化合物析出。

(2)焊缝冲击值随着时效时间的增加呈下降趋势。当时效时间超过3 000 h后，韧性冲击值趋于稳定，始终维持在100 J左右；而热影响区的韧性冲击值则随着时效时间的延长下降明显，当时效时间超过1000h后，热影响区的韧性冲击值已经低于31 J，而且从冲击试样断口形貌看，母材已脆化。

(3)经过长时间高温时效处理后，焊接接头拉伸试验结果合格，均高于母材要求的最低值，并且均断在焊缝区域。

(4)弯曲试验结果显示，当时效时间达到3 000 h后，焊接接头的塑性仍然良好，所有弯曲试验结果均合格；经过10 000 h时效后，所有焊接接头均在弯曲时发生脆断，断裂位置发生在热影响区附近的母材区域。

(5)经过300h、1000h、3000h时效处理后，焊缝、热影响区和母材的硬度变化不大，而经过10 000 h时效处理后，焊缝、热影响区和母材的硬度明显提高。

[1]臧华勋，肖学山.新型耐蚀超级奥氏体不锈钢中的高温析出相[J].钢铁2009(2)：44-47.

[2]戴 伟.奥氏体不锈钢焊接接头在超高温服役中的显微结构转变研究[D].湖北：武汉理工大学，2002.

[3]孙明慧.HP40Nb和HP45NbTi镍基高温合金炉管的焊接[D].甘肃：兰州理工大学，2007.

Analysis of microstructure and properties of HR3C welded joint aged at 700℃for long time

ZHANG Xue-peng，WANG Ping
(Harbin Boiler Co.Ltd.，Harbin 150046，China)

The mechanical properties，serial impact toughness of the welded joint aged at 700℃for long time of HR3C were tested in this paper，optical microscopes were used to observe and analyze the microstructure.The tests show that the welded joints aged at 700℃for long time of HR3C have good tensile property，but the compounds have precipitated from the inside and borderline of grain，the bend samples have ruptured absolutely.

aging treatment；HR3C；welded joint

TG457.1

B

1001-2303(2010)02-00122-04

2010-01-28

张学鹏(1981—)，男，黑龙江哈尔滨人，硕士，主要从事焊接工作。