热老化过程中焊态和热处理态核级316L不锈钢焊缝的组织演变

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(1.西安理工大学材料科学与工程学院，西安 710048；2.苏州热工研究院有限公司，苏州 215004；3.中国电建集团核电工程公司，济南 250102)

0 引 言

奥氏体不锈钢具有较高的高温抗拉强度和抗蠕变强度、良好的耐腐蚀性能、优异的焊接性能等特点，广泛应用于核反应堆容器、管道系统等方面[1]。在实际生产中，通常要求奥氏体不锈钢焊缝中铁素体的体积分数为5%～15%，以防止热裂纹的产生[2]。不锈钢焊缝长期在高温下服役，由于其组织和应力分布的复杂性，容易发生铁素体含量的变化和析出相的转变，从而产生热老化现象[3-4]，严重时会威胁核电站的安全运行。

目前，有关奥氏体不锈钢的研究大多集中在热老化对不锈钢组织和性能的影响及其影响机理、焊缝的力学性能和显微组织等方面，但对奥氏体不锈钢焊缝热处理和热老化后组织与性能的变化却鲜有研究。为此，作者采用国产核级E316L不锈钢焊条对20 mm厚的奥氏体不锈钢板进行多层多道填充焊接，然后对焊缝进行610 ℃×16 h热处理和400 ℃下不同时间的加速热老化处理，研究了热老化过程中焊态和热处理态焊缝中铁素体及析出相的演变，为E316L不锈钢焊条在实际生产中的应用提供试验参考。

1 试样制备与试验方法

选用20 mm厚的Z2CND17.12奥氏体不锈钢板作为母材，开V型坡口；用直径4.0 mm的国产核级E316L-16不锈钢焊条对钢板进行8层2道填充焊接，焊接接头如图1所示，焊接电流为150～155 A，电弧电压为25～28 V，焊接速度为13～16 cm·min-1。E316L-16不锈钢焊条熔敷金属的化学成分如表1所示。

表1 E316L-16不锈钢焊条熔敷金属的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of deposited metal ofE316L-16 electrode(mass) %

焊后对焊缝进行610 ℃×16 h的热处理和400 ℃下分别保温400，2 000，3 500 h的加速热老化试验，之后在焊接接头上截取平面尺寸为10 mm×10 mm试样，取样位置如图1所示。

图1 焊接接头和取样示意Fig.1 Schematic of welded joint and sampling location

试样经打磨、抛光和用氯化铁盐酸溶液(2.5 g FeCl3+25 mL HCl+50 mL H2O)腐蚀后，在OLYMPUS GX71型光学显微镜和JSM-6700F型扫描电镜(SEM)上观察显微组织和微观形貌，采用Image-Pro-Plus软件计算焊缝组织中铁素体的体积分数。用线切割截取厚0.5 mm的透射电镜试样，经机械研磨至50～80 μm，加工出直径为3 mm的圆片，之后用体积分数5%的高氯酸乙醇溶液进行电解双喷减薄，采用JEM-3010型透射电镜(TEM)观察微观形貌和电子背散射(EBSD)形貌。

2 试验结果与讨论

2.1 铁素体的演变

图2 E316L不锈钢焊缝中先焊焊道和最后一层焊道的SEM形貌Fig.2 SEM morphology of former bead (a) and the last bead (b) ofE316L stainless steel weld

根据熔敷金属中铬当量和镍当量的比值可知，焊缝的凝固属于初生相为铁素体的FA模式[5-6]。在凝固过程中，首先由高温液相析出铁素体，随后在冷却过程中，奥氏体沿铁素体的晶界形成，并逐渐长大，最终得到铁素体+奥氏体双相组织。由图2可以看出，焊缝先焊焊道中的铁素体呈网状，而最后一层焊道中的呈条状。试验采用多层多道焊，在前一层焊道的预热和后一层焊道的后热作用下，中间焊道的冷却速率较慢，而最后一层焊道由于没有后热作用，冷却速率较快，因此在焊缝中出现2种不同形态的铁素体。因为绝大多数焊道中的铁素体为网状铁素体，所以下面对网状铁素体(以下简称铁素体)所在区域的组织演变进行研究。

由图3可知：不同条件下焊缝组织主要由奥氏体、铁素体以及黑色点状析出相组成；随着老化时间的延长，焊态或热处理态焊缝中铁素体形貌由断续网状变为较连续网状，再变为断续网状。经计算得到，在焊态热老化400 h、热处理态热老化400 h、焊态热老化2 000 h、热处理态热老化2 000 h、焊态热老化3 500 h、热处理态热老化3 500 h条件下，焊缝组织中铁素体含量(体积分数/%)分别为16.39,15.49,19.23,18.61,17.30,13.10。由此可以看出，随着热老化时间的延长，焊态或热处理态焊缝中铁素体含量均呈先增多后减少的趋势。在热老化初期，奥氏体靠消耗铁素体而不断形成，导致晶界处的铬、钼等铁素体形成元素快速扩散并不断富集，而镍、碳等奥氏体形成元素不断贫化；由于铁素体是体心立方结构，奥氏体是面心立方结构，因此铁素体形成元素在铁素体中的扩散速率比奥氏体形成元素在奥氏体中的快得多，从而造成铁素体含量增多，且逐渐呈连续网状形貌，同时仅有少量铁素体会发生分解形成二次奥氏体和析出相[7]；随着热老化时间的延长，当溶质元素的富集和贫化到达一定程度时，铁素体的含量将不再增加；随着热老化时间的继续延长，合金元素不断扩散，使铁素体中铬当量和镍当量的比值变小，组织中开始析出二次奥氏体，并在铁素体和奥氏体的相界处及铁素体内形成越来越多的析出相，而析出相的形成会优先消耗铁素体中的铬元素[8-9]，同时部分铁素体发生分解，从而导致铁素体含量减少，且呈断续网状形貌。由图3 和计算结果还可以发现，热老化后，焊态焊缝中铁素体的含量比热处理态的多，且网状结构更为连续，这是由于610 ℃热处理会提高相转变驱动力，使铁素体发生部分分解[7,10]，同时使焊缝中更易形成析出相，从而造成热处理态焊缝铁素体含量的减少和网状形貌的破坏。

图3 热老化不同时间后焊态和热处理态焊缝的显微组织Fig.3 Microstructures of as-welded (a,c,e) and heat-treated (b,d,f) welds after thermal aging for different times: (a-b) thermal aging for400 h; (c-d) thermal aging for 2 000 h and (e-f) thermal aging for 3 500 h

2.2 析出相的演变

由图4可以看出：经过热老化后，焊态和热处理态焊缝组织基体中都有析出相生成，但析出相的分布和形态不同；热老化400 h后，焊态焊缝组织中的奥氏体和铁素体晶界处有较窄的白色条带析出相生成，但是析出相的数量比较少，且分布不均匀，热老化2 000 h后，析出相数量增多，晶界处所形成的白色条带析出相的宽度增加，同时铁素体内也观察到白色颗粒状析出相的存在，热老化3 500 h后，析出相沿着岛状或蠕虫状的铁素体晶界分布，且数量变多，分布更均匀；热老化400 h后，热处理态焊缝组织中的奥氏体和铁素体晶界处存在分布均匀的较窄的白色条带析出相，同时铁素体内也有少量白色颗粒状析出相，热老化2 000 h后，奥氏体和铁素体晶界处的析出相的形貌与热老化400 h时的无明显区别，但铁素体内析出相的数量增多，且发生明显聚集，有切断铁素体的趋势，热老化3 500 h后，铁素体内部的析出相数量显著增多，焊缝中的网状铁素体被破坏；热老化不同时间后，焊态和热处理态焊缝组织中均存在较多的孔洞，这些孔洞周围均有白色相析出的痕迹，通过对比析出相和孔洞的大小可推测，这些孔洞是由于基体上的岛状铁素体和析出相在热老化或热处理过程中发生脱落而导致的。

图4 热老化不同时间后焊态和热处理态焊缝的SEM形貌Fig.4 SEM morphology of as-welded (a,c,e) and heat-treated (b,d,f) welds after thermal aging for different times: (a-b) thermal aging for400 h; (c-d) thermal aging for 2 000 h and (e-f) thermal aging for 3 500 h

由图5并结合文献[11-12]可以看出，铁素体晶内颗粒状析出相为Cr23C6相；晶界处的条状析出相为σ-FeCr相。

图5 热老化不同时间后热处理态焊缝中析出相的TEM形貌和衍射花样Fig.5 TEM morphology (a, c) and diffraction patterns (b, d) of precipitated phase in the heat-treated welds after thermal aging fordifferent times: (a-b) thermal aging for 2 000 h and (c-d) thermal aging for 3 500 h

采用EBSD进一步确定不同析出相的分布情况[12-13]，结果如图6所示，图中fcc为面心立方，bcc为体心立方。由图6可以看出，铁素体和奥氏体晶界处以及铁素体晶内有较多的Cr23C6相和CrFe相(σ相)析出，奥氏体中也有极少量的Cr23C6相析出。结合SEM和TEM形貌可以得出：热老化400 h时，焊态焊缝中奥氏体和铁素体晶界处形成Cr23C6相和σ相，热老化2 000 h时，晶界处的析出相变多，而铁素体晶内也有Cr23C6相析出，热老化3 500 h时，晶界处的析出相将铁素体分割为岛状或蠕虫状，并且沿着岛状或蠕虫状的铁素体晶界分布，铁素体内部也有更多的析出相聚集；热老化400 h时，热处理态焊缝中析出相的形貌与分布与热老化2 000 h时焊接态的基本相同，随着热老化时间的延长，Cr23C6相和σ相在晶界处聚集，铁素体晶内也有Cr23C6相和σ相析出和聚集，热老化3 500 h时，晶界处析出相的聚集破坏了铁素体的网状结构，使铁素体成为岛状，且铁素体晶内析出相的聚集现象更加显著。综上可知，热处理态焊缝比焊态的更容易形成析出相。

图6 热老化3 500 h后焊态和热处理态焊缝的相分布Fig.6 Phase distribution of as-welded (a) and heat-treated (b) welds after thermal aging for 3 500 h

由相变热力学和动力学可知，由于奥氏体中含有少量碳，而碳极易与铬优先反应生成铬的碳化物，因此热老化后，焊缝中奥氏体和铁素体晶界处便析出Cr23C6相；而由于σ相的形成需要满足更加严格的热力学条件[14]，因此σ相的析出比铬的碳化物的析出更加缓慢。焊缝中的碳含量较低，因而没有与碳形成碳化物的铬将与铁形成σ相。根据热力学定律，体系吸收热量后会引起其内能的增加，从而成为相变的驱动力，因此在对焊缝进行610 ℃热处理时，焊缝的内能增加，为析出相的析出提供驱动力；当温度升高时，原子的扩散能力增强，碳在部分奥氏体晶界处发生了偏聚，进而与该处的铬反应形成碳化物，晶界处的热力学平衡被破坏，导致发生碳扩散的奥氏体相中的铬向晶界扩散，与铁形成σ相[14]，因此热处理态焊缝比焊态的更易形成析出相。在热老化过程中，越来越多的岛状和蠕虫状铁素体的形成使焊缝组织中产生更多的小晶界，从而有利于原子的迁移，这为析出相的形核与长大提供了更好的条件，导致更多析出相的形成。根据等温相变动力学规律，在热老化过程中，焊缝中析出相的体积分数f的计算公式[15]：

f=1-exp(-K·tn)

(1)

式中：t为热老化时间；n为动力学时间指数；K为影响因子，对于同一析出相，当温度不变时，其值为常数。

由式(1)可知，当其他条件不变时，随着热老化时间的延长，焊缝中的Cr23C6相与σ相会越来越多。

3 结 论

(1) 使用核级E316L焊条焊接奥氏体不锈钢后，焊态和热处理态焊缝的组织由奥氏体、铁素体和析出相组成；随着热老化时间的延长，焊缝中铁素体的数量呈先增多后减少的趋势，铁素体形貌由断续网状变为较连续网状，再变为断续网状；焊态焊缝中铁素体的含量高于热处理态的。

(2) 在热老化过程中，焊缝中的析出相主要为Cr23C6相和σ相；热处理态焊缝比焊态的更容易形成析出相；随着热老化时间的延长，Cr23C6相和σ相优先在晶界处析出并聚集，随后铁素体晶内也有Cr23C6和σ相的析出和聚集。