焊后热处理温度和次数对P91钢组织及性能的影响

2019-10-08曾凡伟谢逍原张学星高淼淼陈莉君

发电设备 2019年5期

曾凡伟，谢逍原，张学星，曾辉，高淼淼，陈莉君

(1. 东方电气集团东方锅炉股份有限公司，四川自贡 643001；2. 中国大唐集团科学技术研究院有限公司，北京 100040)

P91钢具有良好的高温持久强度和抗氧化性，广泛应用于超(超)临界火力发电机组的集箱、管道等[1-3]。近年来，部分火电厂发现其P91钢材质的集箱和管道硬度偏低，不满足DL/T 438—2016 《火力发电厂金属技术监督规程》的要求。如果不是P91钢管原材料本身硬度偏低，那么只能是焊后热处理超温(即过回火)或因返修进行的多次焊后处理所致。针对焊后热处理次数，文献[4-5]主要研究了多次回火对P91钢焊缝组织和性能的影响；对于过回火问题，文献[6-9]阐述了回火温度过高，会造成P91钢母材组织异常、力学性能下降，其主要对过回火进行了定性分析，未对超温温度与性能、组织之间的对应关系进行深入研究。因此，笔者开展了不同焊后热处理温度和次数对P91钢组织及力学性能的影响研究，为焊后热处理P91钢评估和预判提供参考。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

试验样品取自P91钢管，多次焊后热处理试样规格为d=335.6 mm、δ=68 mm，不同温度焊后热处理试样规格为d=736 mm、δ=90 mm，并在钢管上取6块大小相同的试验块，具体见图1。交货态P91钢管的热处理状态均为正火+回火(750～780 ℃)，显微组织均为回火马氏体。

图1 热处理试块取样示意图

760 ℃多次焊后热处理试验的试样号记为D0～D5，D0为交货态，D1～D5为经过1～5次焊后热处理的试样。

不同温度焊后热处理试验的试样号记为G0～G5，G0为交货态，其余分别模拟正常温度焊后热处理(G1，760 ℃)、略超温但还未到Ac1温度的过回火热处理(G2，790 ℃)、Ac1温度的过回火热处理(G3，820 ℃)、略超Ac1温度的过回火热处理(G4，850 ℃)、接近Ac3温度的过回火热处理(G5，880 ℃)。

760 ℃多次焊后热处理和不同温度焊后热处理试验方案的保温时间和冷却方式相同，即每次焊后热处理保温时间均为5 h，300 ℃以上升温和冷却速度均不大于50 K/h，冷却到300 ℃以下后出炉空冷。

交货态试样化学成分分析结果与标准对比见表1。

表1 化学成分检测结果 %

1.2 试验方法

对焊后热处理试块按标准加工试样，采用微机电子控制万能试验机(拉伸试样尺寸d=12.5 mm)、布洛维三用硬度计(硬度试样检测范围为全厚度)和示波冲击机(冲击试样10 mm×10 mm×55 mm)对其进行力学性能试验；利用三氯化铁盐酸水溶液浸蚀，采用Nikon MA300型倒置光学显微镜(OM)和JSM-6610型扫描电子显微镜(SEM)对其微观组织和形貌进行观察。

2 试验结果与分析

2.1 显微组织分析

2.1.1 760 ℃多次焊后热处理后的显微组织

D0～D5的OM和SEM扫描结果分别见图2和图3。

图2 D0～D5的OM扫描结果

图3 D0～D5的SEM扫描结果

P91钢历经5次760 ℃焊后热处理后，其显微组织特征相似。回火板条马氏体中析出的第二相弥散分布于板条界上，且尺寸比较细小，未出现聚集和长大等现象，这与文献[4]中得出的4次重复760 ℃回火对P91钢焊缝显微组织影响不是很大的结论一致。P91钢中含有大量的合金元素，在760 ℃焊后热处理(可视为高温回火)时，回火马氏体板条并没有发生再结晶，此结果与束国刚等[10]研究的结果一致。760 ℃焊后热处理，随着热处理次数的增加(可视其为回火保温时间的延长)，其显微组织结构没有明显变化，主要是由于显微组织结构变化需要一定驱动力，760 ℃时原子在晶内和晶界的迁移能量有限，不会在短时间内出现显微组织结构的明显变化。

随着热处理次数的增加，P91钢显微组织与交货态相比，无明显差异。晶内和板条界上弥散分布细小的第二相，部分第二相颗粒略微有所增大，颗粒大小为0.1～0.3 μm，板条位向有所减弱，组织形态依旧是回火板条马氏体，按DL/T 884—2004 《火电厂金相检验与评定技术导则》进行老化评级，经5次回火后的老化级别仅为1.5级(属于未老化和轻度老化之间)，而交货态显微组织老化级别也是1级(未老化)。显微组织均满足GB/T 5310—2017 《高压锅炉用无缝钢管》、 DL/T 1161—2012 《超(超)临界机组金属材料及结构部件检验技术导则》和DL/T 438—2016的要求。

2.1.2 不同温度焊后热处理后的显微组织

G0～G5的OM和SEM的扫描结果见图4和图5。

图4 G0～G5的OM扫描结果

图5 G0～G5的SEM扫描结果

P91钢的Ac1温度在800～830 ℃，Ac3温度在890～940 ℃；但通常Ac1温度和Ac3温度会根据化学成分和加热速率的变化有微小浮动[11]。

790 ℃回火热处理时，与760 ℃回火热处理相比，由于温度提高导致原子活动能力增强，回火马氏体板条分解速度加剧，马氏体板条位向特征逐渐消失，以M23C6为主的碳化物在晶界、板条界和板条内不断析出，聚集长大，并部分呈卵球状，组织部分老化分解为铁素体加碳化物。

当回火温度达到820 ℃及更高时，局部区域发生重结晶，温度越高发生重结晶的区域越多。室温组织中的铁素体加碳化物，有部分来自重结晶相变(A→F+C的相变)，由于相变产生的铁素体与回火马氏体老化分解所得铁素体混在一起，很难区分。

当回火温度到850 ℃和880 ℃时，此时P91钢将发生不完全退火。由于超过Ac1温度但未达Ac3温度，致使过热度不大，相变驱动力也不大，部分区域奥氏体无法形核发生奥氏体转变。在慢冷(≤50 K/h)过程中过冷奥氏体转变为铁素体+碳化物(即A→F+C的相变)，在300 ℃以下的空冷时，由于残留下来的过冷奥氏体很少，自然新形成的马氏体量也特别少，甚至可以忽略；而未发生相变的回火马氏体的老化组织(铁素体加碳化物)将继续保留下来。故当回火热处理温度到850 ℃和880 ℃时，最终得到的组织已为铁素体+碳化物，未发现新生成的淬火马氏体。

P91钢交货态的马氏体板条位向特征明显，碳化物颗粒细小(0.1～0.4 μm)，呈点状、杆状弥散分布于晶内和晶界。正常温度(760 ℃)处理后，显微组织变化不明显。当温度达到790 ℃(G2)和820 ℃(G3)时，马氏体板条位向性开始减弱，碳化物聚集长大，部分碳化物呈卵球状，组织中度老化。当温度达850 ℃(G4)和880 ℃(G5)时，组织呈完全老化状态，碳化物呈卵球状，较大颗粒直径近1 μm。

谢航云等[12]提及P91钢焊后过回火会导致马氏体板条内的多边化亚晶明显长大，板条粗化，M23C6碳化物向板条界和原奥氏体晶界聚集长大并呈卵球化。历经5次760 ℃焊后热处理后所有显微组织均无此特征，而790 ℃及以上温度过回火时，组织呈完全老化状态，碳化物呈卵球状，较大颗粒直径近1 μm，显微组织特征与谢航云等[12]的研究结果基本一致。

P91钢的强化机理为固溶强化、弥散强化和位错强化。分布于原奥氏体晶界、板条界等位置的M23C6及板条内部弥散分布的MX是主要强化相，特定条件下的Laves相也起强化作用。其弱化机理则与强化相反，弱化主要表现为马氏体板条粗化，板条内的多边化亚晶明显长大，位错数量减少，M23C6粗大且呈卵球化，并向板条界和原奥氏体晶界聚集，马氏体板条位向特征弱化等[12-14]。

2.2 力学性能分析

2.2.1 760 ℃多次焊后热处理后的力学性能

D0～D5的力学性能试验结果见图6。

图6 D0～D5的力学性能

从多次760 ℃焊后热处理试验结果看，随着热处理次数的增加，微观上显微组织的表现为马氏体板条位向特征的轻微弱化，但组织形态未出现明显老化，析出的碳化物无熟化特征；宏观上力学性能的表现为屈服强度、抗拉强度和硬度的降低，但降幅较小，其组织和力学性能均满足ASME SA-335M、GB/T 5310—2017和DL/T 438—2016要求。

2.2.2 不同温度焊后热处理的力学性能

不同温度焊后热处理后的力学性能试验结果见图7。与交货态性能相比，760 ℃温度下焊后热处理，其力学性能基本没有变化。当回火热处理温度达到790 ℃及以上时，屈服强度、抗拉强度和硬度下降明显，均已略低于标准要求，不同热处理温度下的冲击功波动较小，满足标准要求。