退火处理对P91钢管熔焊接头组织结构及性能的影响

冯可云，马涛，刘鹏，张格铭，赵宝中

（1.山东建筑大学材料科学与工程学院，山东济南250101；2.烟台杰瑞石油装备技术有限公司，山东烟台264003；3.山东电力工程咨询院有限公司，山东济南250013）

退火处理对P91钢管熔焊接头组织结构及性能的影响

冯可云1，马涛2，刘鹏1，张格铭1，赵宝中3

（1.山东建筑大学材料科学与工程学院，山东济南250101；2.烟台杰瑞石油装备技术有限公司，山东烟台264003；3.山东电力工程咨询院有限公司，山东济南250013）

采用光学金相显微镜、维氏硬度计等测试方法，研究焊后不同保温时间退火热处理对P91钢熔焊接头显微组织特征及硬度分布的影响。结果表明，经过不同保温时间的退火处理，近焊缝的母材的显微组织由板条马氏体逐渐转变为针状或片状马氏体，随保温时间降低，热影响区的片状马氏体组织逐渐粗大，而焊缝区则随保温时间降低由片状马氏体组织向针状马氏体转变。随着退火保温时间的延长，P91钢熔焊接头硬度起伏趋于平稳，但整体硬度均值有所降低，其中760℃+5.5 h保温退火热处理后，热影响区和焊缝区的硬度比760℃+4.5 h保温退火热处理后略有提高，这可能是由于接头中存在一定的针状马氏体+铁素体组织而引起的。

P91钢；退火处理；保温时间；显微组织；硬度

0 前言

P91钢是一种改良型的马氏体9Cr-1Mo钢[1-2]，是在9Cr-1Mo的基础上加入V、Nb微合金元素，并严格控制N的含量。其组织结构为马氏体加部分铁素体，在高温环境下具有较好的组织稳定性、高温持久强度、高温蠕变强度。P91耐热钢以其良好的高温持久强度、热稳定性和高温抗蠕变能力等综合性能，广泛应用于电站锅炉的过热器、再热器及主蒸汽管道、核电热交换器以及石油裂化装置炉管上[3-4]。但是在实际生产中P91钢存在着一些焊接质量问题，例如焊缝裂纹、夹渣以及焊缝根部未焊透现象等缺陷。目前，国内外相关技术领域已经对P91钢进行了较多研究，但研究重点主要集中在焊接工艺及热处理方法的选择方面[5-7]。紧密结合我国超临界机组安装实际，有关P91钢的热处理温度、保温时间和结构性能之间的关系及其显微组织变化方面的研究尚少有报道，尤其是在既能有效降低保温时间又能保证接头组织性能方面的研究还不多。如果能够在保证接头组织性能不变或不发生大的降低的基础上，大幅度减少保温时间将会极大提高接头的焊接效率，节约能源和生产成本。

本研究采用焊条电弧焊和TIG焊工艺对P91耐热钢管进行有效的熔焊焊接，焊后选取恰当的退火处理温度，重点分析在不同保温时间的条件下，尤其是在少于目前常用保温时间条件下接头的显微组织结构及性能的变化特征，研究影响接头组织结构性能变化的影响因素，为改善P91钢的热处理工艺提供重要的试验基础。

1 试验材料及工艺

采用P91钢管作为母材，牌号10Cr9Mo1VNb，管长185 mm，直径50 mm，内径25 mm。P91钢管对接焊接需要开坡口，坡口形式如图1所示。

图1 坡口形式

试件采用TIG焊打底、焊条电弧焊填充及盖面的焊接方法，焊接工艺参数见表1。焊后热处理状态为退火状态，退火温度为760℃±10℃，退火保温时间分别选择4.5 h、5 h和5.5 h，保温后随炉冷却至室温状态。

表1 焊接工艺规范参数

2 结果和讨论

2.1 退火保温时间对母材组织影响

母材经过不同保温时间退火处理下的金相组织如图2所示。由图2a可知，P91耐热钢母材组织由初级α相和针状晶粒β相的双微观结构组成，其中黑色的β相夹杂在白色的片状α相之间，一些片状的α聚集在一起形成片状的α束，同一束内的α片取向基本相同，板条状马氏体组织明显，且较为细长。经过760℃保温退火4.5 h的P91耐热钢的母材组织发生明显变化（见图2b），组织呈现细小片状组织，为回火马氏体。而在图2c中，经过760℃保温退火5 h的P91耐热钢的晶粒明显比760℃保温退火4.5 h的P91耐热钢组织晶粒接近于片状马氏体组织，但组织形态仍属于回火马氏体；而当经过760℃保温退火5.5 h的P91耐热钢的母材是回火马氏体，组织形态更接近于片状马氏体（见图2d），但其晶粒大小与760℃保温退火5 h的晶粒相比没有太大变化。

2.2 退火保温时间对热影响区组织影响

根据图3a，未经退火的P91钢热影响区显微组织为粗大板条马氏体。经过760℃＋4.5 h退火处理后，P91钢热影响区显微组织为典型的片状马氏体组织（见图3b），且与退火前相比，残余奥氏体相对较少。经过760℃＋5 h退火处理后，热影响区显微组织也呈现片状马氏体组织（见图3c），但与760℃＋4.5 h退火处理相比，该区域组织的晶粒变得更加细小。经过760℃＋5.5 h退火处理后（见图3d），热影响区显微组织也基本呈现片状马氏体组织，但与760℃＋5 h退火处理后热影响区显微组织相比变化较大，晶粒更为细小，残余奥氏体更少。

金相试验分析表明，退火后的P91钢焊接接头热影响区显微组织发生了明显变化，由粗大的板条马氏体转变成片状马氏体，且残余奥氏体数量减少。即使同为退火状态下的组织由于保温时间的不同，其组织形态也有一定的变化。尤其是760℃+5.5 h退火处理与760℃+5 h退火处理后的显微组织相比变化较大。较为明显的变化是热影响区的马氏体组织由板条状向片状转变，这是由于退火处理时温度较高，马氏体在形成时滑移的临界分切应力较低，滑移比孪生更易发生，亚结构中残留大量位错；同时，温度较高，组织中奥氏体和马氏体的强度都较低，因此相变时应力以滑移方式松弛，有利于条状马氏体形成。而随着形成温度的降低，出现孪生现象，使

得条状马氏体向片状马氏体转变。

图2 退火处理前后母材的显微组织

图3 退火处理前后热影响区的显微组织

2.3 退火保温时间对焊缝组织影响

图4a为退火前P91钢焊接接头焊缝的金相组织，呈现为典型的板条马氏体组织。经过760℃＋4.5h退火处理后焊缝组织转变为针状马氏体（见图4b），且大小不一，此外在马氏体周围还有部分残余奥氏体存在，并伴有一定的铁素体组织。经过760℃＋5 h退火处理后焊缝组织呈现为片状马氏体（见图4c），但残余奥氏体的晶粒大小略大于760℃＋4.5 h退火处理后焊缝残余的奥氏体。当经过760℃＋5.5 h退火处理后焊缝组织仍然为片状马氏体（见图4d），但与760℃+5 h退火处理相比，焊缝中残余奥氏体晶粒显然更大一些。

图4 退火处理前后焊缝的显微组织

分析表明，退火处理前后P91钢焊缝组织发生了明显变化，焊缝区组织呈现板条马氏体向针状马氏体和片状马氏体转变的过程，且退火保温时间长短也影响了组织转变形态。经过4.5 h保温退火后，焊缝组织由板条马氏体逐渐转变为针状马氏体；经过5 h保温退火，组织进一步转变为片状马氏体，还出现了残余奥氏体，而残余奥氏体的存在对接头性能有一定的影响；5.5 h保温退火后的焊缝组织仍然呈现片状马氏体，其马氏体组织的形态比5 h退火时更加显著。焊缝区中不同保温退火下组织的转变显然会对接头的性能有所影响。

2.4 退火保温时间对接头硬度分布的影响

P91钢管焊接接头退火前及退火+不同保温时间处理后的显微硬度分布试验结果如图5所示。

由图5可知，各处理条件下接头的显微硬度分布趋势较为接近，母材区域硬度相对较低，母材向焊缝方向硬度逐渐升高，在近缝区（热影响区）附近达到峰值；而焊缝区硬度分布较平缓。未经过退火处理时，焊接接头硬度分布起伏变化较大，热影响区

硬度最高达到450HV，焊缝区硬度也达到400HV。而退火处理后P91钢焊接接头各区域硬度分布更加趋于平缓，但是与未经退火的P91钢焊接接头各区域硬度相比，硬度显著降低。其中退火处理后P91钢焊接接热影响区的硬度为270～300 HV，焊缝区的硬度为240～270 HV。并且760℃+5.5h退火处理后焊接接头热影响区和焊缝的硬度值稍高于760℃+4.5 h退火处理后的硬度值，但在4.5 h保温退火条件下硬度均值高于5 h保温退火处理。

图5 P91钢熔焊接头显微硬度分布曲线

结合显微组织分析表明，退火处理后焊接接头中热影响区和焊缝区域的硬度产生了较大变化，硬度分布更加趋于平缓，起伏不大，这是因为热影响区和焊缝区中原来的板条马氏体组织保温退火后转变成针状或片状马氏体组织。此外，还发现在退火保温时间较长的P91钢的热影响区和焊缝中不仅有针状马氏体，还存在一定的铁素体组织，有些区域形成了针状马氏体+铁素体组织，有该组织的区域的硬度高于单一针状马氏体组织，但低于存在板条状马氏体的区域的硬度。因此，退火保温时间较长的这些区域的硬度明显低于未退火时该区域的硬度，但又略高于退火时间相对较短的硬度。

3 结论

退火处理对P91钢熔焊接头的组织性能有较大的影响。退火处理后，近焊缝母材由板条马氏体转变为针状或片状马氏体；热影响区主要呈现片状马氏体组织，随着保温时间的减少，其马氏体组织逐渐变得粗大；残余奥氏体组织也逐渐减少；而焊缝区中随着保温时间的减少，组织由片状马氏体组织逐渐向针状马氏体组织转变，并且残余奥氏体组织逐渐减少。未经过退火处理，焊接接头硬度分布起伏变化较大，热影响区硬度最高达450 HV。而退火处理后P91钢焊接接头各区域硬度曲线趋于平缓，但整体硬度均值偏低，热影响区约270～300 HV，焊缝区为240～270 HV。其中760℃+5.5 h退火处理后焊接接头热影响区和焊缝的硬度值稍高于760℃+4.5 h退火处理后的硬度值，但4.5 h条件下硬度均值高于5 h保温退火处理。硬度分布的变化与焊缝及热影响区组织结构变化密切相关。

[1]Williams J A，Parker J D.Strain Generated at Austenitic：Ferritic Dissimilar Welds During Elastic Pressure Changes at High Temperature[J].Material Science and Engineering，1995（4）：242-250.

[2]Evans R W，Wilshire B.An Analysis of the Creep Fracture Characteristics of Austenitic Ferritic Steel Transition Welds[J].Mechanics of Marterials，1985（4）：51-65.

[3]李彬坡，刘鹏，赵宝中，等.退火处理对P91钢管TIG焊接头组织结构及性能的影响[J].电焊机，2014，44（6）：119-122.

[4]乔亚霞，郭军.电站锅炉用马氏体耐热钢P91钢的焊接[J].电力建设，2007（6）：87-90.

[5]王然，贺明贤.热处理对T91钢金相组织及显微硬度的影响[J].金属热处理，2000（11）：6-8.

[6]欧阳杰，冯砚厅，王庆.P91钢焊接及焊后热处理中的问题分析[J].河北电力技术，2008，3（27）：13-14.

Influence of annealing treatment on microstructure and properties of P91 steel pipe joint by fusion welding

FENG Keyun1，MA Tao2，LIU Peng1，ZHANG Geming1，ZHAO Baozhong3
（1.School of Materials Science and Engineering，Shandong Jianzhu University，Ji'nan 250101，China；2.Yantai Jereh Petroleum Equipment&Technologies Co.，Ltd.，Yantai 264003，China；3.NP Project Management Department，Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Co.，Ltd.，Ji'nan 250013，China）

Using the method of optical microscope and vickers hardness to study the effects on the microstructure and mechanical properties of P91 steel welded joint under the different holding time by annealing.The test results showed when P91 steel was annealed under different holdingtime,microstructure ofbase metal closed towelded joint had changed differently from the original lath martensite to the needle or plate martensite.And with the decrease of holding time，the lath martensite grew up gradually in the heat affected zone. However，with the decrease of holding time，a transformation had changed from the lath martensite to the acicular martensite in the weld zone.And with the holding time prolonged，the hardness curve of joint tended to be stable，and the overall hardness was decreased.After annealingheattreatment was 760℃+5.5 h，the hardness ofheataffected zone and weld zone was increased slightlythan one of760℃+4.5 h. The reason is that in some areas the acicular martensite+iron ferrite structure was formed toincrease the hardness value.

P91 steel；annealing treatment；holding time；microstructure；hardness

TG401

A

1001-2303（2016）10-0080-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.10.17

献

冯可云，马涛，刘鹏，等.退火处理对P91钢管熔焊接头组织结构及性能的影响[J].电焊机，2016，46（10）：80-84.

2016-03-04；

2016-09-03

冯可云（1990—），男，山东聊城人，学士，主要从事金属材料焊接技术的研究工作。