新型耐热HR3C／T92异种钢接头的显微组织和性能

李新梅，张忠文，杜宝帅，彭宪友

（山东电力集团公司电力科学研究院，济南250002）

0 引 言

不同种类的耐热钢因化学成分、组织结构、物理及力学性能差异较大，异种钢焊接时存在熔合区过渡层脆化和碳迁移扩散等问题［1］，因此异种钢焊接接头是连接件的一个薄弱环节。T92 钢是在T91钢基础上通过钼、钨联合强化得到的一种细晶铁素体耐热钢，HR3C钢是在TP310钢基础上通过添加铌、氮得到的一种奥氏体耐热钢［2］，二者因具有良好的高温强度和抗氧化性而成为超超临界（USC）机组过热器和再热器的首选材料，因此在USC机组中存在大量HR3C／T92异质钢接头。

由于T92钢和HR3C钢在我国应用历史不长，对其焊接工艺、组织和性能等有待于深入研究和认识，尤其是对HR3C／T92 异种钢接头更需深入研究。目前在此异种钢焊接方面的研究主要集中在ERNiCr-3（82 类 合 金）和ERNiCrMo-3（625 合 金）两种镍基焊材方面［3-7］，但82类合金焊丝焊缝的高温蠕变强度不够，并且抗硫化性能也较差，而625合金焊丝焊缝具有较高的焊接热裂纹敏感性，抗硫化性能也较差，并且焊缝组织经长期高温时效后还可能出现较强的高温析出脆化趋势［8-9］，因此上述两种镍基焊材能否满足USC 机组长期服役的要求还有待进一步商榷。目前尚未见采用HIG-370镍基焊丝对HR3C和T92钢进行焊接的报道。为此，作者采用HIG-370 镍基焊丝，通过手工钨极氩弧焊（GTAW）对HR3C 和T92 钢 进 行 焊 接，得 到 了HR3C／T92钢异质接头，并研究了接头的显微组织和力学性能，为USC机组中新型铁素体耐热钢／奥氏体耐热钢异质接头的焊接积累技术数据，从而为机组的安装和检修提供指导。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

试验用钢分别为瓦卢瑞克·曼内斯曼钢管公司提供的T92钢管和日本住友公司提供的HR3C 钢管，其规格为φ45mm×9mm；配套焊丝为HIG-370镍基焊丝，其规格为φ2.4 mm，由日本住友公司提供，该焊丝除了采用钼、铌联合强化外，还添加了少量铜，以降低热裂敏感性。试验钢及镍基焊丝的化学成分见表1。

T92钢中存在非ASTM 标准规定元素铜，其质量分数约0.11%，少量的铜可以稳定蠕变断裂强度，抑制δ铁素体的形成。HR3C 钢中存在非GB 5310标准规定元素钼，这有利于改善钢的高温蠕变断裂强度，提高奥氏体不锈钢的耐腐蚀性能［10］；其余元素中除氮、硼和铝因标样原因没检测到外基本都在标准规定的范围内。

HR3C 钢、T92钢及其焊接接头的常温力学性能标准要求如表2所示［2，11］。

将HR3C和T92钢管加工出“V”形坡口，置于45°固定后实行管管对接施焊，焊接方法为手工钨极氩弧焊（GTAW），直流正接，单面焊双面成形，高频引弧，保护气体为纯度大于99.99%的氩气。焊接时采用较小的焊接热输入量以防止热影响区过热，焊接过程中采用多层多道焊，具体焊接工艺参数见表3。点固焊前采用氧乙炔中性火焰对T92钢进行预热，预热温度为150℃，并利用远红外测温仪检测层间温度（温度应为150～200℃）。全部焊接操作完成后，将焊件缓慢冷却至室温，再及时进行（760±5 ℃）×1h焊后热处理。

表1 试验钢和焊丝的化学成分（质量分数）Tab.1 Chemical compositions of test steels and solder wire（mass） %

表2 试验钢和焊接接头的常温力学性能标准值Tab.2 Standard specifications for mechanical properties of test steels and welded joint at room temperature

表3 焊接工艺参数Tab.3 Welding process parameters

1.2 试验方法

热处理完成后，对接头进行外观检测并经X 射线探伤合格后，利用机械方法加工金相试样和力学性能检测试样。采用王水腐蚀焊缝、HR3C 钢及其热影响区，采用三氯化铁盐酸水溶液腐蚀T92钢及其热影响区，在MEF-4M 型光学显微镜下观察接头的显微组织。通过D／max-rc型X 射线衍射仪确定接头组织中的相组成，铜靶，扫描范围20°～90°，加速电压45kV，电流100 mA，扫描速度2（°）·min-1，步进0.020°，连续扫描。采用TH-160型里氏硬度计测试接头的硬度。采用WES-600D 型液压万能试验机进行常温拉伸试验［11］和弯曲试验，弯曲试验时分别取两个面弯试样和两个背弯试样，压头直径和支座间距分别为40mm 和57mm，试样弯曲180°后检查。接头力学性能试样按DL／T 868《焊接工艺评定规程》制备，拉伸试样尺寸为210 mm×24mm，中间接头部分宽度为12mm；弯曲试样尺寸为185mm×20mm×管子壁厚。将焊缝和T92钢侧热影响区加工成冲击试样［11］，试样规格为10mm×5mm×55mm，“V”型缺口，采用JB-30型冲击试验机进行冲击试验，每个位置各取3个试样取其平均值作为该试样的冲击功。 采用AMRAY1830型扫描电镜观察冲击断口形貌。

2 试验结果与讨论

2.1 显微组织

由图1可见，T92钢及其热影响区（HAZ）的组织为低碳板条马氏体，其中T92钢的马氏体板条尺寸均匀细小，在基体上分布有析出相，而热影响区因受到焊接热循环作用使得马氏体板条尺寸较大，析出相数量较多且尺寸较大；焊缝处的组织特征为胞状枝晶，基体组织为单一奥氏体相，在奥氏体晶界和枝晶界分布有析出相；HR3C 钢及其热影响区组织为单一奥氏体基体，并分布有析出相，奥氏体晶粒尺寸不均匀，靠近熔合区的晶粒明显较大。

图1 HR3C/T92异种钢焊接接头的显微组织Fig.1 Microstructure of HR3C/T92 dissimilar steel welded joint：（a）T92 steel；（b）HAZ close to T92 steel；（c）welding line；（d）HAZ close to HRC steel and（e）HRC steel

图2 HR3C／T92异种钢焊接接头的XRD谱Fig.2 XRD pattern of HR3C／T92dissimilar steel welded joint

由图2可见，焊缝和HR3C 钢的基体组织为奥氏体（A）相，焊缝中的析出相为M23C6和NbC，HR3C钢中的析出相主要为M23C6和Nb（C，N），另外组织中还应存在NbCrN 析出相［2］，但其含量较少而未被检测出；T92 钢基体为Fe-Cr固溶体（α相），析出相为M23C6，该组织中还应有NbC 存在［2］，因为含量较少而未被检测出。

2.2 拉伸和弯曲性能

进行室温拉伸试验的两个试样均断于T92 钢母材上，这说明HR3C／T92异种钢接头的强度高于T92钢的。由表4可知，两个拉伸试样的抗拉强度、伸 长 率 均 高 于T 9 2钢 和HR 3C钢 规 定 的 最 小 值620 MPa，这说明HR3C／T92钢焊接接头的常温拉伸性能满足要求。

表4 HR3C／T92异种钢焊接接头的拉伸性能Tab.4 Tensile properties of HR3C／T92 dissimilar steel welded joint

四个弯曲试样内、外弯曲表面均无裂纹产生，试样表面完好，这说明HR3C／T92异种钢焊接接头弯曲性能符合要求。

2.3 冲击性能

常温冲击试验结果表明，焊缝的冲击功（43J）远低于T92侧热影响区的冲击功（70J）。这是因为焊缝金属的胞状枝晶与T92钢的组织不同，其对冲击功的能量吸收有较大差别，同时焊缝组织中的析出相主要沿晶界和枝晶界分布，这会进一步降低焊缝的韧性；T92钢侧热影响区的韧性是粗晶区、细晶区等整个热影响区综合韧性的反映，在一定的组织状态下能够表现出较高的冲击功。

由图3可见，焊缝的冲击断口起伏不平，在奥氏体柱状晶界和胞状树枝晶界存在明显的撕裂棱，而焊缝断口所具有的胞状枝晶特点表明焊缝结晶形态对韧性产生了一定影响；T92钢热影响区冲击断口也呈典型的韧窝断裂形态，韧窝内可观察到析出相颗粒和明显的滑移线，断口起伏不平，这表明试样在断裂过程中吸收了较多的能量。

图3 HR3C/T92异种钢焊接接头冲击断口的SEM形貌Fig.3 SEM morphology of impact fracture of HR3C/T92 dissimilar steel welded joint：（a）welding line and（b）HAZ close to T92 steel

2.4 硬 度

由图4可见，HR3C钢的硬度最高，T92钢侧热影响区的硬度最低。由于接头各个区域的化学成分和组织形态不同，因此其硬度值也存在一定差异。HR3C钢为固溶处理后的过饱和固溶体，经焊后热处理后固溶体中析出的碳、氮化合物起到沉淀强化效果，使HR3C钢具有较高的硬度。HR3C 钢侧热影响区经历了焊接热循环后，组织中碳、氮化合物的数量发生了变化，导致其硬度略低于HR3C 钢母材的。焊缝组织是铸造组织，为典型的胞状枝晶形态，组织中的析出相主要沿枝晶界分布，同时由于材料的不同使得焊缝硬度较低。T92钢侧热影响区的硬度与T92钢母材的基本相当，这说明采用的热处理工艺是适宜的。

图4 HR3C／T92异种钢接头的硬度Fig.4 Hardness of HR3C／T92dissimilar steel welded joint

3 结 论

（1）采用GTAW 焊接方法，用HIG-370镍基合金焊丝对HR3C钢和T92钢进行异种钢的焊接，获得了强度、塑韧性良好的焊接接头，其中拉伸试样断裂于T92钢母材处。

（2）焊缝基体组织为奥氏体胞状枝晶，组织中的析出相主要为M23C6和NbC；HR3C钢及热影响区的组织为奥氏体和M23C6、Nb（C，N）析出相，而T92钢及热影响区的组织则为回火马氏体和M23C6析出相。

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