高温长期运行后F12钢焊接接头的显微组织和冲击韧性

张忠文，李新梅，魏玉忠，杜宝帅，姜春娟

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，济南 250002；2.华电国际邹县发电有限公司，济宁 273522）

0 引 言

含9%～12%铬的铁素体耐热钢因具有良好的高温持久强度、较高的强韧性以及良好的耐腐蚀性和抗高温氧化性，成为热电厂中主要部件（如主蒸汽管道、集箱、过热器和再热器等）的常用材料之一。其中，F12钢（X20CrMoV12.1钢，德国钢号，被列入 DIN 17175标准）［1－3］，是热电厂中最先使用的高铬耐热合金钢，国外广泛应用于主蒸汽管道上，在我国许多亚临界和超临界机组中也大量使用。

在高温和应力作用下，材料结构会发生变化并导致性能退化［4］，尤其是作为设备最薄弱环节的焊接接头，经过长时高温服役后其组织和性能如何变化，是否满足继续使用的要求已经成为亟待解决的问题。目前已有文献对长期服役后F12钢的组织和性能开展了相关研究［5－7］，但是尚未见有关F12钢焊接接头性能变化的相关研究。因此，作者对某电厂高温运行16.5万h后机组的F12钢焊接接头进行组织观察和冲击试验，以研究其微观组织和冲击韧性的变化，为机组安全稳定运行提供技术参考。

1 试样制备与试验方法

试验材料选自某电厂300MW燃煤机组F12钢主蒸汽管道，其规格为φ355.6mm×40mm，蒸汽温度为540℃，蒸汽压力为17.0MPa，累计运行了16.5万h。利用SPECTROLAB定量光谱仪测得F12钢的化学成分（质量分数／%）为0.19C，0.59Mn，0.25Si，12.24Cr，1.05Mo，0.22V，0.67Ni，0.019S，0.014P。除了钒元素含量略低外，其它元素含量均在标准成分范围内。

采用线切割方法加工F12钢焊接接头金相试样，经研磨抛光后，用FeCl3盐酸水溶液进行腐蚀，然后采用Olympus Model BX51M型光学显微镜和AMRAY－1380型扫描电子显微镜观察显微形貌，并利用扫描电镜附带的能谱仪分析析出相成分；通过D／max－rc型X射线衍射仪分析组织中的相组成，铜靶，扫描范围为20°～120°，加速电压为45kV，电流为100mA，扫描速度为2（°）·min－1，步进0.020°连续扫描；冲击试验按照DL／T 868－2004《焊接工艺评定规程》和GB／T 2650－2008《焊接接头冲击试验方法》在JB3000型冲击试验机上进行，试验温度为室温，试样尺寸为10mm×10mm×55mm，缺口为V型，每个部位加工3个平行试样，取3个试样冲击功的平均值作为该部位的冲击功；采用AMRAY－1380型扫描电子显微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，高温长期运行后，F12钢焊接接头的组织仍为板条马氏体，但马氏体已发生分解而碎化，析出相数量增多且明显长大；在母材和焊接热影响区的组织中存在一定数量尺寸较大的条块状析出相，它们为铝的夹杂物，与基体的结合比较弱，在蠕变变形过程中条块状析出相与基体结合处易形成蠕变裂纹。

图1 高温运行16.5万h后F12钢焊接接头不同区域的显微组织Fig.1 Microstructure of F12steel welded joint after service at high temperature for 165000h：（a）base metal；（b）HAZ and（c）weld seam

图2 高温运行16.5万h后F12钢焊接接头的SEM与BSE形貌Fig.2 SEM （a，c）and BSE（b，d）morphology of F12steel welded joint after service at high temperature for 165000h：（a－b）base metal and（c－d）weld metal

2.2 析出相

由图2可见，高温运行16.5万h后，F12钢焊接接头的基体组织（母材）中存在较多析出相，其中，沿母材奥氏体晶界、焊缝金属原奥氏体晶界和柱状晶晶界的析出相数量较多、尺寸较大，呈颗粒状或连续的链状分布；在马氏体板条界和板条束界上的析出相相对较小，局部区域析出相的尺寸较大，呈孤立的颗粒状分布。在高温长期运行过程中，析出相不断析出并逐渐粗化，并且在粗化过程中，晶界上的析出相会相互连接形成链状，致使析出相的强化作用明显减弱。

图3 高温运行16.5万h后F12钢焊接接头不同部位析出相的XRD谱Fig.3 X－ray diffraction patterns of precipitation phases in differnt positions of F12steel welded joint after service at high temperature for 165000h

对焊接接头基体组织中的晶界析出相进行能谱分析，结果表明其化学成分主要为碳、铬、铁和镍，结合图3所示的XRD谱可知该析出相主要为M23C6。但M23C6的EDS谱上出现了钒峰，这是M23C6相以VC为质点不断析出长大的结果。焊缝金属组织中尺寸较大的析出相的主要化学成分为碳、铬、铁、镍、钼和钨，结合图（3）所示的XRD谱可知，该析出相亦主要为M23C6。由图3可知，高温长期运行后，F12钢母材和焊缝金属的组织均由铁－铬固溶体和M23C6析出相组成。

由图4可见，焊缝金属中存在Laves析出相。Laves相是由高序数金属原子构成的金属间化合物（Fe，Cr）2（Mo，Nb，V），在背散射电子像中显现的衬度较亮［8］。根据析出相的衬度不同，可将焊缝金属组织中的析出相分为亮色和灰色两种类型。其中，亮色析出相的尺寸较大，且呈孤立的颗粒状分布，为Laves相（析出相1）；灰色析出相为 M23C6（析出相2）。根据M23C6的形态和分布又可将其分为两种，一种是沿晶界、板条界和板条束界析出的细小颗粒，呈方向性分布，这种析出相的数量相对较多；另一种则尺寸较大，主要呈孤立的颗粒状分布。

图4 高温运行16.5万h后F12钢焊缝金属中析出相的微观形貌和EDS分析结果Fig.4 Morphology and EDS spectra of precipitation phases in weld metal of F12steel after service at high temperature for 165000h：（a）SEI morphology；（b）BSE morphology；（c）EDS analysis result of precipitation phase 1and（d）EDS analysis result of precipitation phase 2

2.3 冲击性能

高温运行16.5万h后，F12钢母材的冲击功只有25J左右，远低于标准规定的下限值（34J）；而焊缝金属的冲击功则更低，仅为10J左右，亦低于标准的规定值。这表明F12钢焊接接头在高温长期运行过程中发生了明显的时效脆化现象。

由图5可知，高温运行16.5万h后，F12钢母材的冲击断口为沿晶断裂，断口光滑平坦，有明显的二次裂纹，呈现出典型的脆断形貌；焊缝金属的冲击断口为脆性解理断裂，断口形貌和焊缝柱状晶的方向密切相关，原奥氏体晶界上有部分撕裂棱存在，断裂面光滑平坦，断口上存在大量析出相粒子，尤其是在晶界和亚晶界上析出相的数量较多，同时断口中存在大量的二次裂纹，表现为显著的脆断形貌。

图5 高温运行16.5万h后F12钢焊接接头不同位置的冲击试样断口形貌Fig.5 Impact fracture morphology of different positions in F12steel welded joint after service at high temperature for 165000h：（a）base metal；（b）expansion area in base metal；（b）weld metal and（b）expansion area in weld metal

经高温长期运行后，F12钢焊接接头的组织主要由铁－铬固溶体和M23C6析出相组成，其中M23C6相优先在晶界能较高的晶界上析出并聚集长大，并在局部晶界上呈连续分布，引起晶界急剧脆化。F12钢母材的冲击断口呈沿晶断裂特征，由于晶内也有一定数量的M23C6相析出，引起晶内脆化，因此母材冲击试样断口上出现了二次裂纹。焊缝金属的组织为胞状枝晶，因一次结晶时枝晶界处铬、钼等元素偏析和晶格缺陷密度大，高温长时运行后板条界上的M23C6相快速析出并粗化，致使焊缝金属脆化，其冲击功远低于母材的，并且M23C6相既分布在晶界上也分布在板条界上，引起组织显著脆化，表现在冲击断口形貌上，即为脆性解理断裂。

3 结 论

（1）高温运行16.5万h后，F12钢焊接接头的母材组织为板条马氏体，但是马氏体已发生分解而碎化，蠕变组织明显；接头中的析出相主要为M23C6碳化物，在晶界析出并聚集长大，形成了连续链状或孤立颗粒状分布。

（2）高温运行16.5万h后，F12钢焊接接头出现了显著的时效脆化现象，这与组织中M23C6相析出并聚集长大有关；母材的冲击断口为沿晶断裂，焊缝金属的冲击断口为脆性解理断裂，断口皆光滑平坦，表现为显著的脆断形貌。

［1］BENDICK W，HAARMANN K，WELLNITZ G，et al.Properties of 9to 12%chromium steels and their behaviour under creep conditions［J］.Vgb Kraftwerkstechnik：English Edition，1993，73：73－73.

［2］DIN 17175－1979 耐热无缝钢管［S］.

［3］胡正飞，杨振国.高铬耐热钢的发展及其应用［J］.钢铁研究学报，2003，15（3）：60－64.

［4］刘俊良，单爱党.新型铁素体耐热钢在650℃的蠕变特性及氧化行为［J］.机械工程材料，2012，36（6）：52－55.

［5］杨振国，张鉴，胡正飞，等.长期运行后的F12钢主蒸汽管性能劣化研究［J］.中国电力，2006，38（2）：22－25.

［6］胡正飞，杨振国.F12耐热合金钢长期高温时效的脆性［J］.材料工程，2003（12）：14－17.

［7］胡正飞，杨振国.运行中的F12主蒸汽管道直管段剩余寿命评估［J］.锅炉技术，2007，38（3）：14－18.

［8］周玉，武高辉.材料分析测试技术［M］.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2007.