汽轮机转子用镍基合金/ 耐热钢异种焊接接头组织及性能研究

聂甫恒 ， 熊建坤 ,2， 杨林 ,2， 徐健 ,2， 许德星 ,2， 毛桂军 ， 吴海峰 ， 余勇 ， 向冲

（1. 东方电气集团东方汽轮机有限公司， 四川 德阳， 618000； 2. 长寿命高温材料国家重点实验室， 四川 德阳， 618000）

1 前言

对于火力发电机组来说， 提高蒸汽参数可以显著提高机组热效率， 降低煤耗及温室气体排放。因此， 国内外均投入大量资源对高参数机组开展了广泛而深入的研究工作。 目前已投入商业运行的机组最高进汽温度已达到620 ℃， 国内外目前也正在开展蒸汽温度650 ℃、 700 ℃及以上等级的超超临界机组的研发工作[1]。 当机组蒸汽温度提高到650～700 ℃时， 对汽轮机转子材料的抗氧化腐蚀性能、 热稳定性、 高温持久强度性能要求就更严格， 传统的铁素体耐热钢和新型奥氏体耐热钢已不能满足使用要求， 必须使用镍基高温合金[2]。目前由于高温合金的冶炼和锻造吨位限制， 650 ℃等级A-USC 电站汽轮机转子基本都是采用异种材料焊接的方式， 高温段部分材料采用时效强化或固溶强化型的镍基高温合金， 中温段部分材料采用耐热钢。 由于2 种材料的物理化学性能差异较大， 采用熔化焊的方法得到的焊接接头两侧的不同组织及形成的物相对接头力学性能有较大影响，而且镍基合金焊接难度大， 容易产生裂纹等缺陷，此种材料的焊接裂纹尤为重要， 焊接工艺也是影响接头使用性能的关键因素[3-4]，当前异种金属焊接转子制造技术是制约650 ℃、 700 ℃机组发展的关键点。 4762 合金是一种时效强化型镍基高温合金，可作高温段转子锻件材料， 其加入 8.5%Mo 和0.005%B 形成固溶强化， 添加 2.1%Ti 和 1.5%Al形成大量的γ′相， 实现析出强化[5]， 具有良好的高温强度、组织稳定性和抗氧化性能[6-7]。 低温段转子锻件材料1Cr10Mo1NiWVNbN（12Cr 钢）耐热钢应用较为广泛， 它是一种广泛适用于不超过600 ℃等级机组汽轮机的转子材料[8]。

当前关于650 ℃等级高温合金4762 与耐热钢1Cr10Mo1NiWVNbN（12Cr 钢）的异种焊接转子焊接技术研究的文献和报道较少[9]，为了完成4762 高温合金和12Cr 耐热钢的异种焊接接头性能评价与分析， 本文采用GTAW 的焊接方法进行4762 高温合金的同种材料焊接、 4762 与12Cr 的异种材料焊接试验研究， 探究异种金属焊接工艺， 研究高温合金接头及异种金属接头的力学性能和微观组织，为650 ℃等级超超临界火电机组异种材料转子试验环和转子产品的焊接奠定基础。

2 试验方法及材料

本研究所用材料为4762 镍基高温合金和1Cr10Mo1NiWVNbN 耐热钢 （12Cr 钢），2 种母材化学成分见表1。 镍基母材锻件在焊接前经过固溶处理， 焊接后2 次时效处理， 镍基高温合金时效处理后微观组织照片如图1 所示。 母材基体为奥氏体晶粒， 时效后晶粒内析出相明显增多， 晶界也出现析出相。 主要的强化相为球状γ′相， 其均匀密布在奥氏体晶粒内， 大小均匀， 此外， 在晶界处会析出块状形貌的M23C6型碳化物， 可能会降低合金的塑性和韧性。 12Cr 钢焊接前为调质态， 焊后经历了去应力热处理， 其组织主要为回火马氏体， 图1（b）中可观察到明显的马氏体板条。 4762合金的室温抗拉强度Rm≥1 050 MPa， 屈服强度Rp0.2≥680 MPa， 而 12Cr 耐热钢的室温抗拉强度Rm≥830 MPa， 屈服强度 Rp0.2 为≥655 MPa， 母材具体的力学性能见表2。 选取了2 种镍基焊材分别进行同种及异种材料焊接试验， 分别为4762 和ERNiCrWMo-1， 直径都为 Φ2.4 mm， ERNiCrWMo-1 焊丝的抗拉强度为760 MPa， 焊材的化学成分见表3。

表1 高温合金及耐热钢母材化学成分 wt %

表2 母材力学性能

表3 镍基焊材化学成分 wt %

图1 高温合金及耐热钢母材微观组织照片

采用氩弧焊（GTAW）焊接方法进行同种及异种材料焊接试验， 焊接时采用99%的工业纯氩作为保护气， 其他具体的焊接工艺参数见表4。 4762镍基母材为固溶态， 焊接4762 高温合金时， 先采用GTAW 进行打底焊接， 然后使用多层多道焊的方法填充和盖面， 完成焊接后， 进行2 次时效处理。 进行4762/12Cr 异种材料焊接时， 先在固溶态镍基合金侧堆焊， 再进行时效处理， 使母材达到服役状态， 完成后继续进行多层多道焊接的对接焊， 焊后接头去应力热处理， 最终得到4762/12Cr异种转子材料焊接试板。 焊接试板均采用X 型的坡口形式， 其示意图如图2 所示。

表4 同种及异种金属对接接头焊接工艺参数

图2 焊接试板坡口形式

3 试验结果

3.1 接头宏观形貌

图3 是4762 高温合金对接接头以及 4762/12Cr 异种对接接头的焊缝表面宏观照片， 从图中可以看出， 两种类型接头的焊缝表面都成型良好，未观察到表面气孔和裂纹。 图4 是4762 合金对接接头以及4762+12Cr 异种接头的焊缝截面照片，焊缝为双漏斗型， 中间部分较窄， 可以清晰地观察到接头两侧的热影响区， 焊缝内部未发现气孔或宏观裂纹， 焊道及焊层清晰可见， 两面余高合适， 接头成型良好。

图3 同种及异种焊接接头焊缝宏观照片

图4 同种及异种焊接接头截面照片

3.2 微观组织及显微硬度

材料性能是材料微观组织的宏观表现， 材料微观组织直接影响了材料力学性能。 对异种母材及其焊接接头进行微观组织分析， 研究其显微组织的不均匀性， 不仅可以评价焊接接头的力学性能及服役安全性， 而且对焊接工艺的改进很有意义。 根据热影响和熔化程度的差异， 熔焊接头的焊缝中心与母材之间可以细分为3 个区域： 焊缝区， 熔合线和热影响区。 图5 为4762 镍基合金接头的微观组织照片， 由图可以看到， 焊缝金属以树枝晶方式向接头内部生长， 焊缝区组织由γ-Ni奥氏体晶粒和晶间的γ′相和碳化物等析出相组成，焊缝组织的浅灰色区域为γ-Ni 基体， 而黑色的网状组织是晶间分布的γ-γ′共晶组织、 γ′相以及部分碳化物等析出相。 焊接接头熔合线附近的部分熔融区容易发生晶间液化现象， 最终形成液化裂纹， 如图所示， 接头中未观察到明显的液化裂纹。热影响区的组织和母材相同， 为γ-Ni 基体+晶间强化析出相。 焊接热输入对晶间液化现象有显著影响， 当热输入较大时， 易发生晶间液化， 而热输入减小， 有利于减少晶间液化现象， 从而避免液化裂纹的形成。 因此， 焊接时采用较小的焊接电流， 从而减小焊接热输入， 同时严格控制层间温度， 降低了熔合区及部分熔融区形成液化裂纹的趋势， 焊接接头未形成液化裂纹。 焊接时母材为固溶态， 热裂纹敏感性也相对较小。

图5 4762 合金接头微观组织照片

4762/12Cr 异种接头微观组织照片如图6 所示， 12Cr 耐热钢的微观组织中白色针状相为铁素体， 黑色长条状物相为马氏体。 其原奥氏体晶粒中存在有不同位向的板条马氏体和针状铁素体。图6（b）为12Cr 侧热影响区的微观组织， 其组织为白色条状铁素体和黑色回火马氏体， 晶粒细小，强度和塑性较好。图6（c）为焊缝组织照片， 其组织为γ-Ni 奥氏体基体和晶界及晶内分布的析出相颗粒， 主要为 M23C6型和 M6C 型碳化物。 图 6 （d）为4762 侧热影响区微观组织， 其组织为γ-Ni 奥氏体基体+γ′强化相+尺寸较大的二次碳化物颗粒， 可以看到大量退火孪晶的存在。 图 6 （e）为 4762 母材微观组织， 其组织为γ-Ni 奥氏体基体、 晶内弥散分布的碳化物颗粒及晶界分布的γ′相、 γ′′相和碳化物颗粒。

图6 4762/12Cr 异种接头微观组织照片

图7 为4762/12Cr 异种接头横截面显微硬度分布曲线图。 测得的4762/12Cr 接头的显微硬度值为218～371 HV， 其最小值出现在焊缝顶层位置， 最大值在4762 合金一侧的热影响区。 接头的镍基合金侧热影响区硬度较高， 略低于镍基母材， 而对比焊缝区域硬度值发现， 焊缝中层区域硬度相对顶层和底层较高。

图7 4762/12Cr 异种接头横截面硬度分布图

3.3 力学性能

图8 为同种及异种接头的拉伸试验结果。 对4762 合金接头进行室温和高温拉伸试验， 试样都断裂于焊缝区， 其室温抗拉强度最高达到1 113 MPa， 对应的屈服强度为 818 MPa， 室温下 2 个拉伸试样的抗拉强度都不小于母材规定的室温最低抗拉强度（1 050 MPa）， 试样强度满足 ASME 标准要求。 随着高温拉伸试验温度的升高， 接头抗拉强度呈逐渐下降的趋势。

图8 焊接接头拉伸试验结果

对4762/12Cr 异种接头进行室温和高温拉伸试验， 从结果可以看到， 4762/12Cr 异种焊接接头的室温抗拉强度最高达到822 MPa， 该拉伸试样对应的屈服强度为570 MPa， 由于焊材ERNiCrWMo-1 的室温抗拉强度为760 MPa， 室温下2 个拉伸试样的抗拉强度都不小于焊材规定的室温最低抗拉强度（760 MPa）， 试样强度满足 ASME 标准要求。 4762/12Cr 异种焊接接头在室温下断裂于焊缝区， 这是因为采用低匹配的固溶强化型镍基焊材ERNiCrWMo-1 焊接异种转子材料接头， 而使用的低匹配镍基焊材室温强度略低于耐热钢12Cr 的室温强度， 获得的异种母材焊接接头断裂于焊缝处，其强度略低于低强度侧的12Cr 母材的强度要求。异种焊接接头的 580 ℃、 600 ℃、 620 ℃高温拉伸试样均断裂于12Cr 母材位置， 这是因为在高温条件下， 镍基焊缝及4762 母材强度大于12Cr 母材。

4 结论

（1）4762 合金同种接头的室温抗拉强度达到1 137 MPa， 4762/12Cr 异种焊接接头的室温抗拉强度达到827 MPa。 随着高温拉伸试验温度的升高， 接头抗拉强度呈逐渐下降趋势。 同种接头拉伸试样的断裂位置都位于焊缝区， 异种接头常温拉伸试样断裂于焊缝区域， 而高温拉伸试样均断裂于12Cr 母材。

（2）1Cr10Mo1NiWVNbN 侧热影响区组织为白色条状铁素体和黑色回火马氏体， 晶粒细小， 强度和塑性较好。 焊缝组织为γ-Ni 奥氏体基体和晶界及晶内分布的析出相颗粒， 主要为M23C6 型和M6C 型碳化物。 而4762 侧热影响区微观组织， 其组织为γ-Ni 奥氏体基体+γ′强化相+尺寸较大的二次碳化物颗粒， 可以看到大量退火孪晶的存在。4762/12Cr 接头的显微硬度值范围为218～371 HV，其最小值出现在焊缝顶层位置， 最大值出现在4762 合金一侧的热影响区。

（3）采用较小的焊接电流， 从而减小焊接热输入， 同时严格控制层间温度， 降低熔合区及部分熔融区形成液化裂纹的趋势， 在镍基合金侧熔合区域未形成液化裂纹。