T91/TP347H异种钢焊接接头的蠕变性能和微观组织及硬度

李锦华， 纪冬梅， 曹宇

(1.上海电力大学 ，上海 201306；2.华东理工大学 ，上海 200237)

0 前言

从发电量、技术成熟度和经济性等方面来看，几十年来，火力发电已经成为中国电力系统中不可缺少的一部分，其中超(超)临界机组具有发电效率高、煤炭利用率高、排放低的特点，可以进一步降低能耗，提高效率，改善环境[1]。在超(超)临界机组中，锅炉过热器和再热器的蒸气参数不同，对这些部件所需材料的耐腐蚀性、热膨胀系数、高温蠕变性能等要求也不相同[2- 3]。异种钢焊接接头具有优异的蠕变强度和疲劳强度，且与镍基合金相比成本较低，已广泛应用于超(超)临界机组等极端工况。目前国内超(超)临界机组过热器和再热器受热面广泛使用的管材有T/P91，T/P92，Super304，T22，TP347H，S30432和HR3C等耐热管[4]。T91/TP347H异种钢焊接接头具有良好的高温强度、优异的耐高温腐蚀性和低廉的价格，经常运用于不同工况交接的关键部位件[5]。然而异种钢焊接接头长期服役在高温工况，出现组织老化和性能下降等问题，存在事故隐患。

科研人员已对T91/TP347H异种钢焊接接头进行了一系列的试验研究，Xu等人[6]研究了T92/S30432异种钢焊接接头在625 ℃不同应力条件下的蠕变断裂特性，当外加应力超过140 MPa时，T92钢的母材区发生断裂，断裂类型主要由塑性变形引起，以凹陷和表面缩颈为特征。当外加应力小于140 MPa时，断裂位置发生在T92侧的细晶热影响区，分析结果为蠕变孔洞的生长和聚结，最终引起沿晶脆性断裂。同样刘俊建[7]也对服役后失效断裂的T91/TP347H异种钢焊接接头进行了组织分析、金相检验及硬度测试，分析失效原因为焊接接头T91侧热影响区强度下降，因而产生蠕变孔洞，并在轴向热胀应力的作用下，在薄弱位置发生环向断裂。常规的蠕变研究方法只能得到材料的宏观物理性能，蠕变机理并无法得知。因此文中通过扫描电镜、光学显微镜、显微硬度计和蠕变试验，研究了T91/TP347H异种钢焊接接头服役前后的宏观形貌、显微组织和显微硬度，对确保电厂锅炉的安全运行具有重要意义。

1 试验材料

试验用的材料为ASME级T91/TP347H焊接接头和T91钢，试验材料取自上海锅炉厂生产的未服役管材和凤台电厂提供的已服役T91/TP347H异种钢焊接接头管材，管材几何尺寸为φ45 mm×12 mm，采用全氩弧焊焊接，填充材料为ERNiCr-3镍基焊丝。母材和焊丝的化学成分见表1。

表1 母材金属和焊丝的化学成分 (质量分数，%)

2 T91/TP347H异种钢焊接接头的蠕变试验及性能

2.1 T91/TP347H异种钢焊接接头的蠕变试验

高温蠕变试验均在新三思(SANS)公司生产的GWT-2504型电子高温蠕变持久试验机上进行，蠕变后试样如图1所示。试验中，采用了4种应力水平的蠕变试验[8]，具体方案见表2。

图1 试验后试样

表2 T91/TP347H异种钢焊接接头的蠕变试验结果

T91/TP347H异种钢焊接接头的高温蠕变试验得出如下结论。

(1)不同载荷下的真实应变与蠕变时间的变化规律如图2所示。可以看出，当应变达到8%左右时，试样发生断裂，且蠕变第二阶段占蠕变总寿命的70%～80%[9]。

图2 不同应力水平下的蠕变应变

(2)由表2可知，初始应力相同的条件下，随着应力水平的提高，蠕变寿命会呈现缩短的趋势，符合金属材料蠕变行为的一般规律。在应力水平增加20 MPa时其寿命缩短的比例不同，应力增加时，应力水平越高，其寿命增加的比列越低。具体表现为：140 MPa增加到160 MPa时，寿命缩短了48.59 h，即寿命缩短了65.18%；而160 MPa增加到180 MPa时，寿命缩短了10.85 h，即寿命缩短了41.80%(图2)。换言之，在低应力水平下，减少应力，寿命将得到大幅度提高。

(3)随着加载应力的增加，断后伸长率和断面收缩率都有所提高，且应力水平越高，提高幅度越大。

(4)不同应力水平蠕变应变速率变化规律如图3所示。可以看出，对于T91/TP347H异种钢焊接接头，应力水平越高，蠕变应变速率变化越快，且3种应力水平的最低蠕变应变速率几乎没有差异。

图3 不同应力水平下的蠕变应变速率

(5)断裂位置均靠近T91侧，可以推断焊缝的耐高温性能优于T91母材。

2.2 T91/TP347H异种钢焊接接头蠕变本构方程

金属蠕变试验过程中，其应变随时间的变化可分为3个阶段：第1阶段蠕变速率逐渐降低；第2阶段蠕变速率相对稳定，称为稳定阶段；第3阶段蠕变速率迅速增加，直至试样断裂。鉴于第2阶段在蠕变寿命中占比达到了70%～80%，因此大多数蠕变本构模型描述的是第2阶段。

由于其简单性和广泛的适用性，Norton 蠕变模型是最常用的蠕变模型[10]。文中采用Norton-Bailey 方程描述T91/TP347H 异种钢焊接接头的蠕变行为，即

(1)

对式(1)两边取对数得

(2)

基于T91/TP347H异种钢焊接接头蠕变试验数据，计算其不同应力水平下稳定阶段蠕变应变速率，利用式(2)建立其蠕变应变Norton定理本构模型，如图4所示，其中材料参数B=1.044×10-9，n=3.388 61。

图4 试验数据拟合曲线

2.3 T91/TP347H异种钢焊接接头的蠕变断口形貌

图5为试样在温度620 ℃，加载应力水平分别为140，160和180 MPa蠕变断口全貌图，可以看到，低应力水平下的断口全貌更为平整、光滑(图5a)。而高应力水平下的断口全貌更为粗糙，表面凹凸不平，并带有较大的孔洞(图5c)。

图5 620 ℃T91/TP347H异种钢焊接接头蠕变断口全貌图

图6为焊接接头蠕变断口形貌。断口表面均表现出含有多个孔洞和空位的窝形结构，韧窝是金属塑性断裂的主要微观特征[11]，断口上有大量不同大小和深度的小尺寸韧窝，断口表面均表现出含有多个洞和空位的窝形结构。不同工况蠕变孔洞的尺寸和数量密度不同, 在低施加应力(140 MPa)下可以观察到密集的孔洞, 随着应力水平的增加, 较大孔洞的数量在逐渐增加, 且逐渐聚集在一起, 这个趋势解释了应力水平较高时断裂时间更短的现象。

图6 620 ℃T91/TP347H异种钢焊接接头蠕变断口形貌

3 T91/TP347H异种钢焊接接头的显微组织

3.1 金相试样制备

利用金相试样切割机截取包含焊缝、焊接热影响区和母材的样品[12]。使用冷镶嵌料制成镶嵌好的样品，凝固10 min成形，将试样取下，在研磨抛光机上进行处理。金相试样打磨抛光后，其磨面应光洁无划痕，能看到清晰的倒影。采用EP-06型电解抛光腐蚀仪进行电解腐蚀。腐蚀液为10%的草酸溶液(电压6 V，电流3 A)，T91母材腐蚀时间为30 s，TP347H母材腐蚀时间为60 s，焊缝腐蚀时间为30 s。通过10XB-PC型金相显微镜进行金相观察分析；采用X射线能谱分析仪(EDS)分别对两种状态焊接接头的母材、焊缝进行金相分析[13]。

3.2 微观组织分析

T91/TP347H焊接接头可分为T91母材、T91热影响区、ERNiCr-3焊缝区、TP347H热影响区和TP347H母材5个区域[14]。热处理后的焊接接头显微组织如图7所示，T91钢母材是典型的铁素体组织(图7a)，基本不受焊接热的影响。T91钢热影响区通常由细晶热影响区和粗晶热影响区组成，这主要是由于焊接热循环过程中相变的结果(图7b，7c),并且在T91钢热影响区周围存在大量的碳化物沉淀物。以ERNiCr-3为填料的焊缝区主要是粗大的奥氏体组织，沉淀相弥散分布在组织中(图7e)。在TP347H热影响区和母材中，均可以发现完全再结晶的多边形奥氏体晶粒[15]，焊缝金属向外延伸生长，从焊缝金属到TP347H的连续晶粒如图7d所示。此外TP347H热影响区的晶粒尺寸大于母材，这是由于TP347H热影响区的温度在焊接热循环下升高，减少了组织周围的碳化物，导致奥氏体晶粒显著生长，如图7f所示。

图7 未服役T91/TP347H异种钢焊接接头金相组织形貌

已服役1×105h的T91/TP347H焊接接头的显微组织如图8所示[16]。焊接接头经历长期高温服役后，T91钢和焊缝部分的显微组织逐渐退化，服役后的T91钢细晶热影响区组织周围沉淀物粗化，还发现裂纹的存在，如图8a所示。沉淀物粗化容易导致组织晶界拓宽，晶界与沉淀物连接处会产生较高的应力集中，使得材料发生沿晶界脆性断裂，而TP347H钢显微组织结构未发生较大变化[17]，如图8c所示，由此可知TP347H钢的抗高温蠕变性能要优于T91钢和焊缝部分。

图8 已服役1×105 h T91/TP347H异种钢焊接接头金相组织形貌

4 T91/TP347H异种钢焊接接头显微硬度

将金相试样打磨后使用HR-150A型洛氏硬度计对试样表面进行洛氏硬度的测试[18]，试验力和保荷时间分别为9.8 N和10 s，相邻测试点的间距为1 mm。

对服役与未服役的T91/TP347H焊接接头材料进行硬度测量，从沿管材内外壁轴向以及轴沿焊缝中心线自上而下3个部分进行测试分析。

T91/TP347H焊接接头内壁面沿轴向硬度分布如图9所示，每个硬度测量点之间的间隔为1 mm，此时焊缝区处于高硬度部分，热影响区熔合线附近的硬度值达到了最大，且在远离熔合区处逐渐降低，无论测试位置如何，T91侧的硬度平均值都大于TP347H侧。T91侧硬度波动较大，TP347H波动则较为平稳，外壁面沿轴向硬度分布如图10所示，硬度变化规律与内壁几乎相同。沿焊缝中心线硬度分布如图11所示，服役后的焊接接头硬度呈现先略微上升，再快速减小的过程，总体上呈减小的趋势，由于测试的硬度均位于焊缝中心线上，因此硬度值均很小。

图9 焊接接头内壁面沿轴向硬度分布

图10 焊接接头外壁面沿轴向硬度分布

图11 焊接接头沿焊缝中心线硬度分布

对于T91/TP347H焊接接头，无论是否服役，T91侧的平均硬度始终高于焊缝和TP347H侧，且在T91侧熔合线附近，硬度达到最大；在TP347H侧和焊缝区，各测量点服役后的硬度均高于未服役的材料，即服役环境对TP347H和焊缝区硬度起强化作用，对焊缝区的强化作用更为明显，而对于T91侧，已服役材料各测量点的硬度均低于未服役材料，即服役环境对T91硬度起抑制作用，此时T91侧表现出软化效应[19]。综上所述，经过服役可以提高T91/TP347H焊接接头的整体硬度，表现为硬化。

5 结论

(1)高温蠕变断裂行为主要是由于韧窝、孔洞的增加导致材料有效承载面积减小，有效应力增加，导致断裂。断裂位置均靠近T91侧，可以推断，焊缝的耐高温性能优于T91母材。

(2)服役后，TP347母材区域变化不大，而T91侧有沉淀物粗化，使得晶界与沉淀物连接处会出现应力集中现象，使得材料具有沿晶界脆性断裂倾向。

(3)服役对TP347H母材和焊缝区起强化作用，对焊缝区的强化作用更明显，而对于T91侧，已服役材料各测量点的硬度均低于未服役材料，此时T91侧表现出软化效应。