焊后工況熱處理對T91 與T92 鋼焊縫組織性能影響的比較

1、超（超）臨界鍋爐用鋼及焊接技術(shù)協(xié)作網(wǎng)第二次論壇大會論文集焊后工況熱處理對T91與T92鋼焊縫組織性能影響的比較田旭海 齊向前(天津誠信達金屬檢測技術(shù)有限公司，天津，300300)摘 要：本文通過模擬現(xiàn)場熱處理工藝，研究了不同回火溫度下T91、T92鋼焊縫組織與性能，結(jié)果表明，T91焊縫硬度起始隨回火溫度的升高逐漸降低，超過780回火，回火馬氏體板條特征不明顯，焊縫硬度升高，860回火焊縫組織及硬度接近焊后的未處理狀態(tài)，T92焊縫低于820回火，焊縫硬度逐漸降低，回火溫度可以達到780，超過820回火，馬氏體分解。860回火硬度略有升高，焊縫表現(xiàn)出屈氏體組織。兩種鋼母材抗拉強度均隨回火溫度升高而

2、降低，碳化物產(chǎn)生偏聚，鐵素體含量不斷增加，回火溫度超過780，力學(xué)性能均不能滿足ASME標準要求。 關(guān)鍵詞：熱處理 焊縫 組織 性能0 前言T/P91鋼是在T9（9Cr-1Mo）鋼的基礎(chǔ)上通過添加V、Nb、N等合金元素而形成的一種改進型的高強度馬氏體耐熱鋼。該材料具有良好的高溫?zé)釓娦院涂寡趸阅埽壳爸饕獞?yīng)用于各種大型電站鍋爐及燃氣輪機鍋爐的再熱器、過熱器（蒸汽溫度580650，蒸汽壓力100MPa以上）T/P92是在T/P91的基礎(chǔ)上發(fā)的電力機組部件1，展起來的新型耐熱鋼，通過降低Mo元素含量，同時加入一定量的W以將材料的鉬當量（Mo+0.5W）從P/T91鋼的1%提高到約1.5%，該鋼還加

3、入了微量的B，其高溫強度和蠕變性能大大提高，使用溫度可升高到620，600、105h下的高溫蠕變斷裂強度提高到了約140 MPa，比第二代的T91/P91鋼高約2530，是制造過熱器和再熱器的首選鋼種，T/P91鋼與T/P92鋼均屬馬氏體耐熱鋼，焊縫具有很大的淬硬傾向，存在焊接接頭脆化及焊接冷裂紋，為降低裂紋傾向，改善焊縫的組織及性能，必須采取合理的熱處理工藝，熱處理后現(xiàn)場檢驗手段通常為金相和硬度檢驗，本文模擬現(xiàn)場熱處理工藝，研究了不同熱處理狀態(tài)下兩種鋼的組織和性能，對工業(yè)實踐具有一定的指導(dǎo)意義。1 試驗方法1.1 焊接采用規(guī)格為64×4mm的進口T91、T92鋼管，管件開V型坡口，

4、T91采用MTS-3、2焊絲、T92采用MTS-616，2.4mm焊絲全氬焊接，氬氣流量8-10L/min，預(yù)熱溫度150200，層間溫度控制在200250。焊接工藝參數(shù)如表1。表1 T91/T92（64×4）焊接工藝參數(shù)焊接 層道焊絲 直徑/mm焊接 電流/A電弧 電壓/V焊接速度cm·min1焊層厚度/mm1-1 2/2.4 100-1052-1，2 2/2.4 100-10512 56 2.5 12562.51.2 焊后熱處理焊后熱處理在PID控制的SX2-10-13箱式電阻爐中進行，設(shè)定升降溫速度為150/h，分別在700、740、780、820、860恒溫2小時。

5、冷卻至300空冷。 1.3 金相及力學(xué)性能檢測取不同回火溫度下T91鋼金相試樣，經(jīng)磨制拋光后用FeCl3+HCl水溶液侵蝕（FeCl3：5g、HCl：50ml、H2O：100ml）在OLYMPUS PME3金相顯微鏡下觀察焊縫及母材組織，用HVS-1000顯微硬度計測定材料的顯微硬度，在WE-30萬能試驗機上測定材料的力學(xué)性能。This is trial version323超（超）臨界鍋爐用鋼及焊接技術(shù)協(xié)作網(wǎng)第二次論壇大會論文集2 試驗結(jié)果圖1和圖2給出了不同回火溫度對T91及T92鋼硬度及抗拉強度的影響，由圖可見，低于780回火，兩種鋼焊縫的硬度均隨回火溫度的升高而降低，回火溫度超過780

6、，T91焊縫的硬度明顯升高，860回火焊縫的硬度達355HV，已明顯高于700回火時焊縫的硬度。接近于未回火態(tài)的365HV。而對于T92鋼，焊縫硬度則繼續(xù)降低，回火溫度超過820，焊縫硬度略有升高。資料介紹對于P91、P92鋼焊縫金屬的硬度合格范圍為190-263HV2，也有文獻報道對于P92鋼為236285HV3，現(xiàn)場操作制定的熱處理工藝為760±10基本可滿足要求，從圖2可以看出兩種鋼母材的抗拉強度均隨回火溫度的升高而降低，ASME標準規(guī)定對于T91管材，抗拉強度最低為585 MPa，對于T92管材，其最低抗拉強度不得低于620MPa，低于780回火可保證兩種母材性能要求，820

7、回火兩種母材力學(xué)性能均已不能滿足要求。390360330300理狀態(tài)下的金相照片，從圖中可以看出，兩種鋼焊態(tài)未處理的馬氏體組織粗大，呈細長針狀，馬氏體板條特征不明顯，740回火均可見到明顯的板條馬氏體組織特征，但此時焊縫硬度均偏高，說明馬氏體回復(fù)不充分，形變儲存能沒有完全釋放，回火溫度升至780，T91鋼焊縫硬度雖然在合格范圍內(nèi)，但此時焊縫中碳化物產(chǎn)生偏聚，馬氏體板條特征變得不明顯，T92焊縫馬氏體板條變細，特征明顯，硬度在合格范圍內(nèi)，文獻報道為保障焊縫具有高的抗蠕變性能，焊縫組織應(yīng)該為板條特征明顯的馬氏體組織4，所以對于T91鋼回火溫度不應(yīng)超過780，對于T92鋼回火溫度可以達到780。82

8、0回火后，T91焊縫偏聚碳化物長大，T92焊縫中馬氏體板條分解析出大量彌散碳化物，當回火溫度升高至860時，T91焊縫組織形態(tài)與未回火態(tài)相似，而對于T92焊縫部分碳化物聚集成塊，部分呈細小彌散狀分布于鐵素體基體上。硬度/HV270240210180150圖3 T91未處理焊縫(100×)365HV回火溫度/圖1 不同回火溫度對T91、T92鋼硬度的影響800750抗拉強度Rm/MPa700圖4 T92未處理焊縫（100×）405HV700720740760780800820840860880650600550500680回火溫度/圖2 不同回火溫度對T91、T92鋼抗拉強度

9、的影響圖3 12給出了T91和T92焊縫在不同熱處圖5 T91740回火焊縫(100×)264HVThis is trial 324超（超）臨界鍋爐用鋼及焊接技術(shù)協(xié)作網(wǎng)第二次論壇大會論文集圖6 T92740回火焊縫（100×）287HV圖10 T92 820回火 焊縫(100×) 194HV圖7 T91 780回火 焊縫(100×)237HV圖11 T91 860回火 焊縫(100×) 355 HV圖8 T92 780回火 焊縫(100×) 244HV圖12 T92 860回火 焊縫(100×) 203HV圖5 P92連續(xù)轉(zhuǎn)

10、變CCT圖圖1316給出了T91和T92母材供貨態(tài)和860回火后的顯微組織，ASME規(guī)定對于兩種鋼均采用正火+回火的熱處理工藝，對于T91鋼，其母材原始組織為細小的回火索氏體組織，T92鋼原材顯微組織是細小的回火馬氏體組織，隨回火溫度的升高，母材中的碳化物逐漸產(chǎn)生偏聚，圖9 T91 820回火 焊縫(100×) 270HV鐵素體含量不斷增加，860回火后，可明顯看到大塊狀碳化物分布于鐵素體基體上。325This is trial 超（超）臨界鍋爐用鋼及焊接技術(shù)協(xié)作網(wǎng)第二次論壇大會論文集度相當高，焊縫是由溫度非常高的熔融狀態(tài)冷卻下來的鑄造組織，組織和晶粒不能獲得細化，馬氏體板條粗大，在

11、板條馬氏體亞結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在高密度的位錯纏結(jié)會阻礙位錯運動，從而提高了馬氏體的強度、硬度。又由于焊縫熔敷金屬中的Nb、V在凝固冷卻過程中難以呈微細的C、N化合物圖13 T91供貨態(tài)（100×）211 HV析出，通過固溶強化降低了焊縫韌性。馬氏體板條在高溫回火時并不發(fā)生再結(jié)晶，而是以多邊化回復(fù)的馬氏體板條碎化，和亞穩(wěn)態(tài)位錯網(wǎng)絡(luò)的形成來釋放馬氏體相變時的形變儲存能5，熔敷金屬中的Nb、V 在回火過程中形成微細的C、N化合物析出，增加焊縫的抗高溫蠕變性能。740以下回火，馬氏體的硬度較高，表明馬氏體板條多邊化回復(fù)不充分，沒有形成完整的位錯網(wǎng)絡(luò)，當回火溫度為760±10時，馬氏體板條發(fā)

12、生多邊化回復(fù)，板條內(nèi)形成位錯網(wǎng)絡(luò)，碳化物粒子在板條界或在板條內(nèi)析出，呈短條形，不會出現(xiàn)Ostwald熟化見。這種組織既保留了馬氏體的強化效果，形成的亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)又具有優(yōu)良的強韌性，820回火已超過T91鋼的Ac1點（810），參照圖17所示P91鋼平衡相圖6，焊縫中會生成相及一定數(shù)量的M23C6和MC，還會出現(xiàn) 相以及回火馬氏體轉(zhuǎn)變形成的鐵素體，在隨后的冷卻過程中，轉(zhuǎn)變?yōu)槲椿鼗鸬鸟R氏體組織，使焊縫硬度升高，少量的鐵素體保留下來摻雜在馬氏體組織中不易分清，而對于T92鋼，由于Mo當量的提高增大了合金的抗回火特性，Ac1溫度范圍為800-845，其典型的Ac1溫度一般比P/T91的810高，820回火

13、可能尚未達到T92的Ac1點，馬氏體進一步分解，硬度降低。860回火T92鋼淬火馬氏體完全分解，但部分相仍保持針狀外形，這種由針狀相和無共格聯(lián)系的細粒狀滲碳體組成的機械混合物叫做回火屈氏體7，焊縫硬度升高的原因為回火溫度超過T92鋼的Ac1點，冷卻后生成了少量的未回火馬氏體。而對于T91焊縫，根據(jù)相圖判斷，860焊縫接近完全奧氏體化，冷卻后奧氏體轉(zhuǎn)變生成大量的未回火馬氏體，與未回火焊縫特征相似。326圖14 T91 860回火（100×）162 HV圖15 T92 供貨態(tài)（100×）253HV圖16 T92 860回火（100×）170HV3 分析與討論T/P91

14、與T/P92鋼均屬馬氏體耐熱鋼，焊后焊縫組織全部轉(zhuǎn)變?yōu)橛泊嗟鸟R氏體組織，組織硬This is trial 超（超）臨界鍋爐用鋼及焊接技術(shù)協(xié)作網(wǎng)第二次論壇大會論文集Ac1點回火，又生成未回火的馬氏體組織，860回火后組織與未回火態(tài)相似，對于T92焊縫，780回火后馬氏體板條特征明顯，860回火后只生成少量馬氏體組織。（3）T91和T92鋼母材隨回火溫度的升高，抗拉強度逐漸降低，低于780回火可保證母材性能滿足ASME標準規(guī)定要求，微觀組織表明，圖17 P91鋼平衡狀態(tài)下各相含量隨溫度的變化隨回火溫度升高碳化物產(chǎn)生偏聚，鐵素體含量增加，T91鋼表現(xiàn)嚴重。隨回火溫度的升高，母材中碳化物產(chǎn)生偏聚，由于

15、Mo當量的提高增大了T92鋼的抗回火特性，使得在相同回火溫度（如860）下T91鋼的碳化物顆粒較大，對于P91鋼母材，超過Ac1點（810）回火，冷卻后生成未回火馬氏體和塊狀鐵素體組織，使其硬度升高，但對于T91和T92鋼，表現(xiàn)出很大不同，溫度越高，碳化物偏聚越嚴重，合金的強度、硬度越低，這可能與其原始的熱處理狀態(tài)有關(guān)。參考文獻1 李志翔，李曉平，趙永強，火力發(fā)電廠新材料T91/P91鋼性能綜述，云南電力技術(shù)，2004，（32）1，15172 華能電廠P91、P92鋼焊接質(zhì)量檢驗導(dǎo)則，華能國際電力股份有限公司，2005103 王萍，李宜男，王守革，超超臨界鍋爐用新材料及對焊接接頭的要求，焊接，

16、2006（7）：36394 楊富，1000MW級超超臨界火電機組鍋爐用新型耐熱鋼的焊接，中國電力，2005，38（8）：48525 張路，劉正品等，回火對國產(chǎn)P91鋼組織和性能的影響，鑄造技術(shù)，2003，24（6）：5315396 束國剛，丁輝等，國產(chǎn)9Cr-1Mo-V-Nb-N鋼的組織及熱處理4 結(jié)論（1）本試驗條件下，T91、T92鋼焊縫硬度起始隨回火溫度的升高而降低，回火溫度超過780，T91鋼焊縫硬度明顯升高，860回火接近未回火時硬度，而T92鋼焊縫硬度在820以下回火一直降低，860回火焊縫硬度略有升高。T91鋼焊縫回火不應(yīng)超過780，T92鋼回火可以在780下進行。（2）兩種鋼焊后均為粗大的針狀馬氏體組織，隨回火溫度升高，馬氏體開始發(fā)生回復(fù)，T91焊縫780回火后馬氏體板條