T91鋼的性能及其焊接方法

T91鋼的性能及其焊接方法劉紅文聶銘陳順強摘要從理論和實踐兩個角度，探討了T91鋼有關的性能及其焊接工藝。

1引言

近年來，我國電力工業(yè)飛速發(fā)展，電廠鍋爐向大容量、高參數(shù)發(fā)展。按照國家電力公司的布署，從現(xiàn)在起到下世紀初，將逐步限制和取消中小型燃煤機組，300MW機組將成為各大電網的主力機組。300MW機組的高溫過熱器、高溫再熱器的最高實際壁溫已超過了600℃，原先廣泛應用于這些高溫部件的12Cr1MoV鋼高溫強度、抗氧化性等均不能滿足要求。T91鋼以其優(yōu)良的高溫性能，在電站高溫過熱器、高溫再熱器乃至主蒸汽管道上得到了越來越廣泛的應用。但由于其焊接性較差，焊接時容易出現(xiàn)問題，因此探討一套比較合理的焊接工藝十分必要。2T91鋼的有關性能

2.1合金化原理

T91鋼是美國國立像樹嶺實驗室和美國燃燒工程公司冶金材料實驗室合作研制的新型馬氏體耐熱鋼。它是在9Cr1MoV鋼的基礎上降低含碳量，嚴格限制硫、磷的含量，添加少量的釩、鈮元素進行合金化。根據(jù)ASTM213/A213M-85C,T91鋼的化學成份見表1。

與T91鋼對應的德國鋼號為X10CrMoVNNb91，日本鋼號為H表1T91鋼的化學成份元素含量元素含量元素含量C0.08-0.12Si0.20-0.50Nb0.06-0.10Mn0.30-0.60Cr8.00-9.50N0.03-0.07P≤0.02Mo0.85-1.05Ni≤0.40S≤0.01V0.18-0.25%T91鋼中各合金元素分別起到固溶強化、彌散強化和提高鋼的抗氧化性、抗腐蝕性能，具體分析如下。

①碳是鋼中固溶強化作用最明顯的元素，隨含碳量的增加，鋼的短時強度上升，塑性、韌性下降，對T91這類馬氏體鋼而言，含碳量的上升會加快碳化物球化和聚集速度，加速合金元素的再分配，降低鋼的焊接性、耐蝕性和抗氧化性，故耐熱鋼一般都希望降低含碳量，但含碳太低，鋼的強度將降低。T91鋼與12Cr1MoV鋼相比，含碳量降低20%，這是綜合考慮上述因素的影響而決定的。

②T91鋼中含微量氮，氮的作用體現(xiàn)在兩個方面。一方面起固溶強化作用，常溫下氮在鋼中的溶解度很小，T91鋼焊后熱影響區(qū)在焊接加熱和焊后熱處理過程中，將先后出現(xiàn)VN的固溶和析出過程：焊接加熱時熱影響區(qū)內已形成的奧氏體組織由于VN的溶入，氮含量增加，此后常溫組織中的過飽和程度提高，在隨后的焊后熱處理中有細小的VN析出，這增加了組織穩(wěn)定性，提高了熱影響區(qū)的持久強度值。另一方面，T91鋼中還含有少量A1，氮能與其形成A1N，A1N在1100℃以上才大量溶入基體，在較低溫度下又重新析出，能起到較好的彌散強化效果。

③加入鉻主要是提高耐熱鋼的抗氧化性、抗腐蝕能力，含鉻量小于5%時，600℃開始劇烈氧化，而含鉻量達5%時就具有良好的抗氧化性。12Cr1MoV鋼在580℃以下具有良好的抗氧化性，腐蝕深度為0.05mm/a，600℃時性能開始變差，腐蝕深度為0.13mm/a。T91含鉻量提高到9%左右，使用溫度能達到650℃，主要措施就是使基體中溶有更多的鉻。

④釩與鈮都是強碳化物形成元素，加入后能與碳形成細小而穩(wěn)定的合金碳化物，有很強的彌散強化效果。

⑤加入鉬主要是為了提高鋼的熱強性，起到固溶強化的作用。

2.2熱處理工藝

T91的最終熱處理為正火+高溫回火，正火溫度為1040℃，保溫時間不少于10min，回火溫度為730～780℃，保溫時間不少于1h，最終熱處理后的組織為回火馬氏體。

2.3機械性能

T91鋼的常溫抗拉強度≥585MPa，常溫屈服強度≥415MPa，硬度≤250HB，伸長率(50mm標距的標準圓形試樣)≥20%，許用應力值［σ]650℃=30MPa。

2.4焊接性能

按照國際焊接學會推薦的碳當量公式算得T91的碳當量為可見T91的焊接性較差。3T91焊接時存在的問題

3.1熱影響區(qū)淬硬組織的產生

從圖1可以看出，T91的臨界冷卻速度低，奧氏體穩(wěn)定性很大，冷卻時不易發(fā)生正常的珠光體轉變，從而冷卻到較低溫度時發(fā)生了馬氏體轉變。正由于此，T91的淬硬和冷裂傾向很大。圖1T91鋼的連續(xù)冷卻曲線由于熱影響區(qū)的各種組織具有不同的密度、膨脹系數(shù)和不同的晶格形式，在加熱和冷卻過程中必然會伴有不同的體積膨脹和收縮；另一方面，由于焊接加熱具有不均勻和溫度高的特點，故而T91焊接接頭內部應力很大。

對于T91，奧氏體十分穩(wěn)定，要冷卻到較低溫度(約400℃)才能變?yōu)轳R氏體。粗大的馬氏體組織脆而硬，接頭又處在復雜應力狀態(tài)下。同時，焊縫冷卻過程中氫由焊縫向近縫區(qū)擴散，氫的存在促使了馬氏體脆化，其綜合作用的結果，很容易在淬硬區(qū)產生冷裂紋。

3.2熱影響區(qū)晶粒長大

焊接熱循環(huán)對焊接頭熱影響區(qū)的晶粒長大有重大的影響，特別是緊鄰加熱溫度達到最高的熔合區(qū)。當冷卻速度較小時，在焊接熱影響區(qū)會出現(xiàn)粗大的塊狀鐵素體和碳化物組織，使鋼材的塑性明顯下降；冷卻速度大時，由于產生了粗大的馬氏體組織，也會使焊接接頭塑性下降。

3.3軟化層的產生

T91鋼在調質狀態(tài)下焊接，熱影響區(qū)產生軟化層不可避免，而且比珠光體耐熱鋼的軟化更為嚴重。當用加熱和冷卻速度均較緩慢的規(guī)范時，軟化程度較大。另外，軟化層的寬度和它離熔合線的距離，不僅與焊接的加熱條件及特點有關，還與預熱、焊后熱處理等有關。哈爾濱鍋爐廠曾做過試驗得出T91焊接熱影響區(qū)硬度曲線，見圖2。圖2T91焊接熱影響區(qū)硬度曲線

①730℃回火；②750℃回火由圖2可以看出，T91鋼焊縫熱影響區(qū)產生的軟化現(xiàn)象比較嚴重，而且接頭的回火溫度越高，軟化程度越嚴重，接頭強度利用系數(shù)大大下降。

3.4應力腐蝕裂紋

T91鋼在焊后熱處理之前，冷卻溫度一般不低于100℃，如果在室溫下冷卻，而環(huán)境又比較潮濕時，容易出現(xiàn)應力腐蝕裂紋。德國規(guī)定：在焊后熱處理之前必須冷卻至150℃以下。在工件較厚、有角焊縫存在及幾何尺寸不好的情況下，冷卻溫度不低于100℃。如果在室溫下冷卻，嚴禁潮濕，否則容易產生應力腐蝕裂紋。4T91鋼的焊接工藝

4.1預熱溫度的選擇

T91鋼的Ms點約為400℃，預熱溫度一般選在200～250℃。預熱溫度不能太高，否則接頭冷卻速度降低，可能在焊接接頭中引起晶界處碳化物析出和形成鐵素體組織，從而大大降低該鋼材焊接接頭在室溫時的沖擊韌性。預熱溫度的下限從哈爾濱鍋爐廠所做過的插銷試驗可得到很好的說明。

插銷試棒采用T91鋼，直徑8mm,深0.5mm，底板采用13CrMo鋼，厚20mm，試驗在不預熱、預熱150℃、預熱200℃、預熱250℃條件下進行。焊條采用J707。焊接電流為165～170A，電弧電壓為21～267V，試驗結果如表2所示。表2T91插銷試驗結果試驗

條件試樣

號應力水平

/MPa斷裂時間

/min不預熱1303.899218682373176.48.31440未斷預熱150℃4421.48.112605354.8120未斷預熱200℃6465.28.61440未斷7482.78.143885397.9313預熱250℃95398.21440未斷106008.01440未斷由上述試驗結果知，在不預熱條件下，T91鋼焊接接頭的臨界應力為176.4MPa；預熱150℃時，臨界應力為354.8MPa，為T91鋼常溫屈服極限415MPa的85.4%；預熱200℃以上時，臨界應力大于460MPa，超過了T91鋼常溫屈服極限。由此，為避免T91鋼焊接時產生冷裂紋，預熱溫度必須不低于200℃，德國規(guī)定預熱溫度為180～250℃，美國CE公司規(guī)定預熱溫度為120～205℃。

4.2層間溫度的選擇

層間溫度不得低于預熱溫度下限，但如同預熱溫度的選取一樣，層間溫度也不能過高。T91焊接時層間溫度一般控制在200～300℃。法國規(guī)定：層間溫度不超過300℃。美國規(guī)定：層間溫度可位于170～230℃之間。

4.3焊后熱處理起始溫度的選擇

T91要求焊后冷卻到低于Ms點以下并保持一定時間再進行回火處理，焊后冷卻速度為80～100℃/h。如果未經保溫，接頭的奧氏體組織可能沒有完全轉變，回火加熱會促使碳化物沿奧氏體晶界沉淀，這樣的組織很脆。但是T91焊后也不允許冷卻到室溫再進行回火，因為其焊接接頭冷卻到室溫時就有產生冷裂紋的危險。對于T91來說，最佳起始溫度為100～150℃，并保溫1h，可基本確保組織轉變完畢。

4.4回火溫度、恒溫時間、回火冷卻速度的選擇

T91鋼冷裂傾向較大，在一定條件下，容易產生延遲裂紋，故焊接接頭必須在焊后24h內進行回火處理。T91焊后狀態(tài)的組織為板條狀馬氏體，經過回火可變?yōu)榛鼗瘃R氏體，其性能較板條狀馬氏體優(yōu)越?；鼗饻囟绕蜁r，回火效果不明顯，焊縫金屬容易時效而脆化；回火溫度過高(超過AC1線)，接頭又可能再次奧氏體化，并在隨后的冷卻過程中重新淬硬。同時，如本文在前面所述，回火溫度的確定還要考慮接頭軟化層的影響。一般而言，T91回火溫度為730～780℃。

T91焊后回火恒溫時間不少于1h，才能保證其組織完全轉變?yōu)榛鼗瘃R氏體。

為了降低T91鋼焊接接頭的殘余應力，必須控制其冷卻速度小于5℃/min。T91鋼的焊接工藝可用圖3表示。圖3T91鋼焊接工藝

①預熱200～250℃；②焊接，層間溫度200～300℃；③焊后冷卻，速度為80～100℃/h；④100～150℃保溫1h；⑤730～780℃回火1h；⑥以不大于5℃/min速度冷卻5T91鋼在廣東省內火電廠應用實例

廣東省電力局第一焊接培訓中心曾作過Φ42mm×5mm的T91小徑管對接的焊接工藝評定。采取的預熱溫度為200℃，焊后冷卻到150℃，保溫1h后進行回火，回火溫度為750～780℃，保溫1h，升降溫速度均小于5℃/min。焊后對試樣進行外觀檢查、斷口檢查、無損檢測、拉伸和彎曲試驗，結果均合格，這也說明上述焊接工藝是行之有效的。

上述焊接工藝已成功應用在沙角A廠、梅縣電廠高溫再熱器外圈。T91鋼在這些電廠應用后，由于超溫等造成的事故頻率大大降低。

6結論

①T91鋼靠合金化原理，尤其是添加了少量鈮、釩等微量元素，高溫強度、抗氧化性較12Cr1MoV鋼有較大的提高，但其焊接性能較差。②插銷試驗表明，T91鋼有較大冷裂傾向，選取預熱200～250℃，層間溫度200～300℃，可有效防止冷裂紋產生。

③T91焊后熱處理前，必須冷卻至100～