新型转子钢25Cr2Ni4MoV的焊接性及接头性能

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（东方汽轮机有限公司，四川德阳618200）

0 前言

随着单机容量的提升，核电汽轮机转子的体积和质量越来越大，对于容量为1 000 MW超超临界机组，超净化大型转子锻件的钢锭质量在20世纪80年代中期就已经达到几百吨[1]。世界上只有几家大公司能够生产大型核电汽轮机转子锻件，锻造生产工艺复杂，技术条件要求高，对生产设备的要求也很高。机组容量增大，汽轮机转子结构和质量也变得越来越大，现有锻造设备和技术已经成为汽轮机转子加工行业发展的瓶颈[2]。国内外多家单位都在研究采用焊接其结构替代整体锻压的转子结构[3]。

随着焊接转子结构的发展变化，现有核电低压转子用钢22Cr2NiMo、25Cr2NiMoV、30Cr2Ni4MoV逐渐不适应产品需求，主要不足在于淬透性造成锻件心部不能满足要求，影响淬透性的合金元素主要是C、Cr、Ni和 Mn。基于上述原因，国内以25Cr2NiMoV和30Cr2Ni4MoV为基础进行成分设计，并经过成分筛选，研发新的转子材料25Cr2Ni4MoV[4]。新材料可以作为新一代低压核电焊接转子材料、中低压复合转子复合转子[5]。但对于焊接转子而言，焊接中会难以避免地在接头处造成成分、组织和力学性能的不均匀性。目前对于新转子材料的焊接性的研究也鲜有报道，在此对25Cr2Ni4MoV钢的焊接性展开研究，为未来生产提供指导。

1 试验材料

试验材料为经875℃回火25h的25Cr2Ni4MoV锻件[6]，其主要化学成分如表1所示。焊接性试验采用GTAW，焊材选用NiCrMo2.5-IG材料，焊接电流80±10 A，电压 9±1 V，焊接速度 80±5 mm/min，氩气流量10 L/min。

表1 25Cr2Ni4MoV锻件主要化学成分 %

2 试验

2.1 焊接热影响区硬度试验

按照GB4675焊接热影响区最高硬度试验方法在5种预热温度条件进行试验，测试结果见图1。不预热状态，HAZ最高硬度达HV465，平均硬度HV450；预热100℃，HAZ最高硬度为HV455，平均硬度HV448，当预热提高到200℃时，HAZ最大硬度值为HV443，平均值HV435，硬度值有所下降；当预热为300℃时，HAZ最高硬度值为HV450，平均硬度HV440。可见预热100℃焊接并未对HAZ硬度分布产生明显影响；预热300℃时，硬度值没有进一步下降，反而略有上升，与预热200℃时非常接近。当预热温度提高至400℃时，硬度值出现了较明显的下降，最高硬度值为HV400，平均硬度只有HV395。结果表明，在300℃以下预热时，HAZ硬度值没有出现明显变化，提高到300℃以上，HAZ的硬度出现明显的降低。

图1 25Cr2Ni4MoV热影响区硬度变化

图2 25Cr2Ni4MoV解剖试样

2.2 斜Y坡口裂纹试验

按照GB4678对25Cr2Ni4MoV分别在5个温度下（室温、100℃、200℃、300℃、350℃）进行斜 Y坡口焊接裂纹试验，焊后室温时效处理48 h，结果如图2所示。采用放大镜观察截取的试块截面，未发现裂纹、气孔、未熔合及未焊透等缺陷。预热温度为350℃时，底部成形美观，无氧化膜。

2.3 冷裂纹插销试验

按照GB9446焊接用插销冷裂纹试验方法分别在3个温度下（室温、100℃、200℃）进行试验测试，结果如图3所示。在不预热时临界断裂应力为250 MPa，预热100℃临界断裂应力为290 MPa，当预热温度为200℃时临界断裂应力为700 MPa。材料的屈服强度为760～860 MPa，室温下的临界断裂应力只有屈服强度的30%，冷裂纹很敏感；当预热100℃时，临界断裂应力有一定的提高，为屈服强度的36%，冷裂纹依然很敏感。当预热温度提高到200℃时，其临界断裂应力增加到屈服强度的86%，抗冷裂纹敏感性大大提高。

图3 25Cr2Ni4MoV插销试验应力时间曲线

3 分析与讨论

3.1 接头常温力学性能

焊接接头的强度与母材相当，室温冲击性能满足Akv≥81 J要求[7-8]，热影响区冲击性能低于焊缝，接头弯曲合格。其韧脆转变温度为-20℃，脆断面积为 50%，满足 TK（50%）＜-10℃技术要求[9-10]，热影响区硬度高于焊缝和母材。接头力学性能如表2所示，韧脆转变温度冲击性能如表3所示，焊缝上部和根部硬度分布分别如图4、图5所示。

表2 接头力学性能

表3 韧脆转变温度冲击性能

3.2 焊接接头短时高温拉伸性能

在300℃下进行高温短时拉伸试验，取样时共分为6层，覆盖全焊缝厚度，每层取2个共12个试样。拉伸数据分布如图6所示，焊接接头的高温拉伸试验结果非常接近，性能非常均匀，300℃高温拉伸性能约为670 MPa[11-12]。

图4 焊缝上部硬度分布

图5 焊缝根部硬度分布

图6 高温短时拉伸数据分布

3.3 微观组织分析

3.3.1 微观金相

沿母材—热影响区—焊缝—热影响区—母材方向进行微观组织分析，如图7～图10所示。左侧母材组织为回火贝氏体，晶粒度2～3级[13-14]，焊缝为贝氏体与铁素体组织，热影响区为贝氏体组织。

3.3.2 断口形貌

选择典型的冲击试样断口进行扫描分析，如11～图13所示，断口均由脆性断裂区和纤维断裂区组成。脆性断裂区为沿晶和准解理，随着预热温度的升高，沿晶成分减少，准解理部分增大。裂纹稳定扩展区域分布着大量的浅韧窝，表明裂纹在此处扩展过程中经历了较大的塑性变形，韧性较好。局部区域断口呈现棱角分明的“岩石状”形貌[15-16]，裂纹在此处形成撕裂岭很小的准解理断裂，附近有少量的浅韧窝，表明断口在此处断裂时只需消耗少量能量就沿光滑解理面迅速扩展。

图7 母材微观组织

图8 左侧HAZ微观组织

图9 焊缝微观组织

图10 右侧HAZ微观组织

图11 室温下启裂和扩展区

图12 200℃下启裂和扩展区

图13 400℃启裂和扩展区

3.4 讨论

综上焊接接头的常温力学性能、短时高温拉伸性能、微观组织和断口形貌的分析可知，HAZ的晶界析出物以间断或者半连续状态分布，这有利于强化晶界；HAZ中未出现粗晶区，也有利于HAZ提高韧性。虽然HAZ的硬度高于母材，但其韧性并不比母材差，这主要受益于未粗化的晶粒以及细小的析出物对晶界的钉扎作用。相比现有核电低压转子用钢，新型转子钢25Cr2NiMoV钢在成分上的一个显著变化是添加了微量元素。从微观组织和断口形貌可以看出，除了与某些元素形成化合物外，微量元素会以间隙原子形式存在母相中。早期研究表明，当溶质原子与母相原子尺寸差异较大时，由于内表面吸附，小尺寸溶质原子并非均匀分布晶内，而是优先分布在晶界层内。另外，晶界处位错密集，也可吸附大量的溶质原子。因此，内吸附和位错吸附会导致大量溶质原子在晶界处聚集。

除微量元素对HAZ组织的积极影响外，Mo元素也可能有利于提高HAZ韧性。根据高温性能可以得出，新型转子钢中加入1%V元素，钢中的V能形成细小弥散的碳化物和氮化物，分布在晶内和晶界，阻碍碳化物聚集长大，提高蠕变强度。V与C的亲和力大于Cr和Mo，可阻碍Cr和Mo形成碳化物，促进Cr和Mo的固溶强化作用。但钢中的V含量不宜过高，否则V的碳化物高温下会聚集长大，降低钢的热强性或使钢材脆化。钢中W的作用与Mo相似，能强化固溶体，提高再结晶温度，增加回火稳定性，提高蠕变强度。钢中Nb和Ni都是碳化物形成元素，可以析出细小弥散的金属化合物，提高钢材的高温强度、抗晶间腐蚀能力和抗氧化能力，改善钢的焊接性。

4 结论

（1）新型转子钢25Cr2NiMoV的冷裂纹敏感性强，焊接时预热温度应大于300℃。

（2）焊接接头常温力学性能和高温短时拉伸均达到焊接转子焊缝金属强度和塑性要求，焊缝区的最大硬度为HV390，位于焊缝热影响区。

（3）冲击断口由脆性断裂区和纤维断裂区组成，脆性断裂区为沿晶和准解理，裂纹稳定扩展区域上分布着大量浅韧窝。

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