P91和P92马氏体耐热钢焊缝中的黑线

曾凡伟,谢逍原,昌 佳,杨华春,高淼淼

(东方电气集团 东方锅炉股份有限公司，自贡 643001)

P91和P92马氏体耐热钢具有良好的高温持久强度和较好的抗氧化性，广泛应用于火力发电机组锅炉集箱、蒸汽管道等[1-2]。P91和P92马氏体钢焊缝中经常会发现线状物质，形似裂纹，在光学显微镜下呈黑色(以下称黑线)。目前，对黑线化学成分和形成环节的研究较多[3]，但未见对黑线的分布特点、结构特征、形成原因等进行深入研究的报道。为此,笔者通过试验对埋弧自动焊的P91钢和P92钢焊缝黑线进行微观分析，研究了黑线的分布特点、结构特征、形成原因等，以期为解决工程质量争议提供技术依据。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

P91钢管和P92钢管的坡口均为U型坡口，焊前预热温度为200～250 ℃，手工钨极氩弧焊装点并打底，焊条采用手工电弧焊过渡，其余部分采用埋弧自动焊，焊接速率为20 cm/min～50 cm/min，焊后热处理温度为(760±10) ℃，保温时间为5 h。母材和焊材的具体尺寸如表1所示。

表1 母材和焊材的具体尺寸

钢管对接焊后，按圆周方向均分为4个试样，依次编号为1#～4#(见图1)，其中1#试样焊态不进行热处理，2#～4#试样均进行760 ℃的焊后热处理，然后取全厚度焊缝试样(见图2)、金相检验试样(三氯化铁+盐酸溶液擦拭腐蚀或体积分数为10%硫酸溶液电解腐蚀)、透射电镜(TEM)试样(用聚焦离子束取样)。

图1 钢管对接焊缝解剖示意

图2 钢管对接焊全厚度焊缝试样取样示意

1.2 试验方法

对焊态和焊后热处理态试样的微观形貌进行分析，确认黑线的产生环节是否与焊后热处理有关；用NIKON MA300型光学显微镜观察试样的全厚度区域(打底部位、中部和盖面部位)，确认黑线的分布特点；选择焊缝中典型的黑线，用JSM-6610型扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、TEM及选区电子衍射(SAED)等方法进行分析，确定黑线的化学成分和结构特征。

2 试验结果

2.1 焊态与热处理态

P91-1试样焊态未发现黑线[见图3a)～3c)];760 ℃焊后热处理后，P91-1试样热处理态的近打底部位、中部和近盖面部位均可见黑线，且不同位置的黑线形貌特征无明显差异[见图3d)～3f)]。

图3 P91-1试样焊态和热处理态的显微组织形貌

2.2 黑线的分布及特征

将P91-1和P92-1试样经三氯化铁+盐酸溶液腐蚀后，在光学显微镜下观察，结果如图4所示。由图4可知：P91-1和P92-1试样全焊缝范围内均可见黑线，主要分布于柱状晶之间，但非均匀分布，且黑线长度为0.05～2 mm。

图4 三氯化铁+盐酸溶液腐蚀后P91-1和P92-1试样的显微组织形貌

将三氯化铁+盐酸溶液腐蚀后的P91-1和P92-1试样进行SEM分析，发现在黑线位置可见线状排列的颗粒状析出物[见图5a),5b)]；将P91-2和P92-2试样经10%硫酸溶液电解腐蚀后进行SEM分析，可见试样表面上有许多析出物颗粒，含有黑线的析出物均已脱落，脱落后形成的坑呈线状排列,形似裂纹[见图5c),5d)]。

图5 不同腐蚀方式腐蚀后P91钢和P92钢试样的SEM形貌

2.3 黑线的成分与结构

2.3.1 P91-1试样

对P91-1试样黑线处进行EDS分析，结果如图6所示。由图6可知：黑线富含Cr、Mo、Mn、V等元素；位置1～4处的Cr、Mo、Mn、V等元素含量远高于基体(位置5～6)处，与晶界析出物(位置3)基本相同，析出物为M23C6[4]。为了分析黑线(析出物)的结构，选取了其中较大的析出物颗粒进行SAED分析，分析位置如图6a)所示，结果显示析出物为面心立方结构。

图6 P91-1试样黑线处的 EDS分析结果

对P91-1试样马氏体板条束形貌处进行EDS分析，结果如图7所示，可见位置1和5处析出物含有大量Cr、Mo、Mn、V等元素，远高于基体(位置2～4)处。

图7 P91-1试样马氏体板条束形貌处的 EDS分析结果

2.3.2 P92-1试样

对P92-1试样黑线处进行EDS分析，结果如图8所示，可见黑线处有大量颗粒状析出物，析出物(位置1～2)的Cr、Mo、W等元素含量远高于基体(位置5)处，与晶界析出物(位置3)基本相同，析出物为M23C6[5-6]。选取了其中的较大析出物颗粒进行SAED分析，结果如图9所示，可见析出物为面心立方结构。

图8 P92-1试样黑线处的 EDS分析结果

图9 P92-1试样析出物颗粒的SAED分析结果

3 综合分析

P91钢和P92钢焊缝组织为不同位向的马氏体板条束和马氏体板条。晶界上主要由块状、条状和小的颗粒状析出相组成，而马氏体板条界上主要为细小条状(或棒状)和粒状析出相，板条内有许多细小的析出相，呈一定位向排列。P91钢和P92钢的析出相主要是M23C6,M7C3,M6C和MX等，其中M23C6为主要的析出物，M23C6具有复杂的面心立方结构，金属原子团M主要是Cr原子团，可溶解Fe、Co、Ni、W、Mo等元素[6]。

760 ℃焊后热处理后，焊缝中发现了黑线，表明黑线与焊后热处理时的析出相有关。黑线可通过正火热处理消除，证实了黑线为析出相，可以回溶至基体。

由SEM和TEM分析结果可知，黑线位置存在线状排列的颗粒物，说明黑线不是裂纹，而是马氏体焊缝组织析出物。EDS分析发现黑线富含Cr、Mo、Mn、V等元素，与晶界或板条界的M23C6析出物化学成分基本相同。黑线位置析出物颗粒的SAED分析结果显示，析出物为面心立方结构。从黑线的微观形貌、化学成分和结构可以判定，黑线为线状排列的M23C6(M为Cr、Fe、Mo等原子团)碳化物。

黑线的形成原因为：P91钢和P92钢焊接过程中，Cr和Mo等元素在柱状晶之间偏聚，焊后热处理时M23C6碳化物在柱状晶晶界析出，呈线状排列。M23C6碳化物与周围基体的化学电位不同，腐蚀过程中会出现选择性腐蚀，在光学显微镜下观察呈黑色线状，即黑线。

4 结论

(1) P91钢和P92钢的全焊缝范围内均存在黑线，主要位于柱状晶之间。黑线并非裂纹，为焊后热处理时析出的线状排列M23C6碳化物。

(2) P91钢和P92钢焊接冶金过程中，Cr和Mo等元素在柱状晶之间偏聚，并在焊后热处理时以M23C6碳化物的形式在柱状晶晶界析出，呈线状排列，腐蚀后在光学显微镜下呈现黑色。