張學鵬，王 萍

(哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150046)

HR3C焊接接頭700℃長期時效后的組織與性能分析

張學鵬，王 萍

(哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150046)

對HR3C鋼焊接接頭在700℃長期時效后進行了力學性能、系列沖擊試驗，采用光學顯微鏡對焊縫的顯微組織進行了觀察與分析。結果表明，HR3C焊接接頭在700℃長期時效后拉伸性能良好，但晶界和晶內(nèi)均有化合物析出，彎曲試樣已發(fā)生脆斷。

時效處理；HR3C；焊接接頭

0 前言

HR3C(25Cr-20Ni-Nb-N)即ASME CODE CASE 2115是日本住友金屬工業(yè)株式會社研制開發(fā)的新型奧氏體不銹鋼管。HR3C(SA-213TP310HCbN)是TP310耐熱鋼的改良鋼種，與普通的TP310鋼化學成分的區(qū)別僅在于添加了質量分數(shù)為0.20%～0.60%的Nb和質量分數(shù)為0.15%～0.35%的N，使新鋼種的高溫性能大大提高。其蠕變斷裂強度的提高主要是在鋼時效過程中析出了NbCrN，NbCrN氮化物非常細小而且特別穩(wěn)定，即使長時間時效，組織也很穩(wěn)定，大大提高了蠕變斷裂強度，同時加入微量的N對抑制σ相的形成、改善韌性也有好處。

HR3C主要用于超超臨界(USC)火力發(fā)電機組鍋爐受熱面中的高溫過熱器、再熱器等部件，使用溫度700℃，長期處于環(huán)境惡劣的條件之下，因此所用鋼材在滿足持久強度、蠕變強度要求的同時，還要滿足管子外壁抗煙氣腐蝕和抗飛灰沖蝕性能、管子內(nèi)壁抗蒸汽氧化性能，所以采用具有抗煙氣腐蝕、抗高溫腐蝕和高溫蒸汽氧化能力強的高鉻鎳奧氏體鋼HR3C。

隨著國內(nèi)電站鍋爐向大容量、高參數(shù)的方向迅猛發(fā)展，鍋爐行業(yè)在制造大容量、高參數(shù)超超臨界鍋爐所需要的HR3C鋼必將越來越多，因此，掌握HR3C鋼的焊接工藝和焊后的力學性能就顯得尤為重要。

1 試驗方法

1.1 試驗材料

試驗采用HR3C鋼管的規(guī)格為φ 54mm×14 mm，化學成分如表1所示，力學性能如表2所示。

表1 HR3C化學成分 %

表2 HR3C力學性能(常溫)

1.2 試驗方法

試驗的所有力學性能試樣均為在鋼管對焊后縱向取樣，焊材選用ERNiCr-3(ASME標準號)，化學成分如表3所示。

試驗采用脈沖熱絲鎢極氬弧焊，工藝參數(shù)如表4所示。

表3 鎳基焊材ERNiCr-3的化學成分%

表4 焊接工藝參數(shù)

為了更好地模擬焊接接頭長期在高溫服役的實際情況，對HR3C的焊接接頭進行了高溫時效試驗，試驗在高溫長均熱區(qū)試驗電爐中進行。根據(jù)HR3C在超超臨界鍋爐中的使用溫度，本試驗的時效溫度為700℃，腐蝕介質為空氣，時間分別為0，300 h，1 000 h，3 000 h，10 000 h，時效處理后對焊接接頭進行拉伸、彎曲、沖擊、金相、硬度等試驗，考核其焊接接頭微觀組織的穩(wěn)定性以及是否有σ相析出[1]。

使用AXIOVERT 200 MAT顯微鏡(CCD圖像采集系統(tǒng))進行金相組織觀察，采用RKP-300型沖擊試驗機進行沖擊試驗，在AG-10TA萬能試驗拉伸機進行拉伸試驗。

2 試驗結果和分析

2.1 微觀組織分析

HR3C焊接接頭室溫焊縫和熱影響區(qū)的微觀組織為奧氏體+少量鐵素體，母材為奧氏體。

圖1顯示的是經(jīng)過300h、1000h、3000h、10000h時效處理后母材(350×)、焊縫(350×)和熱影響區(qū)(350×)微觀組織的金相照片。

從圖1可以看出，焊接接頭的組織狀態(tài)與時效處理時間關系密切，經(jīng)過長時間時效處理后，HR3C焊接接頭的金相組織發(fā)生了一些變化。經(jīng)過300 h時效處理的母材試樣晶界有斷續(xù)碳化物析出，晶內(nèi)碳化物析出不明顯，隨著時效時間的增加，晶界碳化物逐漸呈連續(xù)狀分布，晶內(nèi)析出逐漸增加，當時效時間達10 000 h時晶內(nèi)析出已經(jīng)非常明顯。

焊縫金相組織為γ固溶體和少量的鐵素體，經(jīng)過300 h時效處理的試樣枝晶偏析較明顯，在枝晶偏析處有少量顆?；衔锎嬖?，柱狀晶晶界處有細小不連續(xù)的化合物析出。隨著時效時間的增加晶界化合物逐漸增加并且長大，晶內(nèi)枝晶間也有彌散的化合物析出，并且隨時間的增加，化合物集聚并長大。當經(jīng)過10 000 h時效處理后，枝晶間可見保持一定位向的針狀析出物。

由于在焊接過程中采用水冷裝置對焊接接頭噴水冷卻，嚴格控制了層間溫度，加速了焊接接頭的冷卻速度，縮短了焊縫在高溫區(qū)域的停留時間，使得熱影響區(qū)非常狹窄。熱影響區(qū)金相組織形貌和變化趨勢基本與母材相同，只是熱影響區(qū)晶界碳化物稍多些，時效試樣靠近熔合線處晶界和晶內(nèi)可見碳化物呈密集顆粒狀或碎塊狀析出[2]。

2.2 沖擊試驗分析

焊縫區(qū)域韌性沖擊值與時效時間的關系如圖2所示，由圖2可以看出，沖擊值隨著時效時間的增加呈下降趨勢，當時效時間超過3 000 h后，焊縫的韌性沖擊值趨于穩(wěn)定，始終維持在100 J左右。

究其原因：焊接接頭采用的填充材料是ERNiCr-3，屬于鎳基合金，這種鎳基合金含有質量分數(shù)約20%的Cr，Cr是穩(wěn)定合金表面最重要的元素，它在焊縫表面形成抗氧化和抗腐蝕的保護層Cr2O3，阻止了金屬元素向外擴散和O、S和其他有害元素向內(nèi)擴散，增強了焊縫的抗氧化和熱腐蝕能力。另外，這種鎳基合金中加入了Nb、Ti、Co等多種微量元素，這些微量元素的化合物固溶于γ晶格中，提高了奧氏體相的穩(wěn)定性[3]。

圖1 焊接接頭金相照片

圖2 焊縫沖擊值

圖3 熱影響區(qū)沖擊值

時效時間的增加導致晶界和晶內(nèi)析出的化合物增多，焊縫組織中微量元素的固溶強化作用減弱，焊縫韌性降低。但當時效時間超過3 000 h后，晶界的針狀析出物數(shù)量基本保持不變，微量元素的固溶作用消失，焊縫的韌性趨于穩(wěn)定。

熱影響區(qū)沖擊值與時效時間的關系如圖3所示，由圖3可以看出，隨著時效時間的增加，韌性沖擊值明顯下降，當時效時間超過1 000 h后，熱影響區(qū)的韌性沖擊值已經(jīng)低于31 J，而且從沖擊試樣斷口形貌看，母材已脆化。

究其原因：隨著時效時間的延長，晶界和晶間化合物析出都隨之增加，并逐漸呈連續(xù)狀分布，導致了焊縫的韌性沖擊值急劇下降。

2.3 拉伸試驗分析

經(jīng)過時效處理后的焊接接頭拉伸試驗按照《蒸汽鍋爐安全技術監(jiān)察規(guī)程》和ASME的室溫拉伸試驗方法測定，測試結果合格，試樣均斷于焊縫區(qū)位置。

拉伸試驗值如圖4所示。由圖4可知，經(jīng)過長時間高溫時效處理后，焊接接頭拉伸試驗結果合格，均高于母材要求的最低值，并且均斷于焊縫區(qū)域，說明這種焊接接頭的拉伸性能并沒有隨著時效時間的增加而降低。斷裂位置發(fā)生在焊縫區(qū)域，說明母材的強度高于焊縫，主要是因為經(jīng)過時效處理后母材晶間有化合物析出，降低了母材韌性，但拉伸強度卻有明顯的提高。

圖4 拉伸試驗值

2.4 彎曲試驗分析

彎曲試驗數(shù)據(jù)如表5所示。從表5可以看出，時效時間達到3 000 h后，焊接接頭的塑性仍然良好，所有彎曲試驗結果均合格；經(jīng)過10 000 h時效后所有焊接接頭均在彎曲時發(fā)生脆斷，斷裂位置發(fā)生在熱影響區(qū)附近的母材上，主要是因為晶間化合物的析出導致母材塑性不足而發(fā)生斷裂，從斷口形貌分析為脆性斷口。

表5 彎曲試驗

2.5 硬度試驗分析

硬度試驗值如圖5所示。由圖5可知，經(jīng)過300h、1 000 h、3 000 h時效處理后，焊縫、熱影響區(qū)和母材的硬度變化不大；而經(jīng)過10 000 h時效處理后，焊縫、熱影響區(qū)和母材的硬度卻有了明顯的提高，說明經(jīng)過10 000 h時效處理后，焊接接頭的組織已經(jīng)發(fā)生了明顯的改變，其中母材和熱影響區(qū)的硬度明顯高于焊縫的硬度。

圖5 硬度試驗值

3 結論

(1)經(jīng)過長時間高溫時效后，焊縫、母材、熱影響區(qū)的金相組織都發(fā)生了明顯的改變，晶界和晶內(nèi)均有化合物析出。

(2)焊縫沖擊值隨著時效時間的增加呈下降趨勢。當時效時間超過3 000 h后，韌性沖擊值趨于穩(wěn)定，始終維持在100 J左右；而熱影響區(qū)的韌性沖擊值則隨著時效時間的延長下降明顯，當時效時間超過1000h后，熱影響區(qū)的韌性沖擊值已經(jīng)低于31 J，而且從沖擊試樣斷口形貌看，母材已脆化。

(3)經(jīng)過長時間高溫時效處理后，焊接接頭拉伸試驗結果合格，均高于母材要求的最低值，并且均斷在焊縫區(qū)域。

(4)彎曲試驗結果顯示，當時效時間達到3 000 h后，焊接接頭的塑性仍然良好，所有彎曲試驗結果均合格；經(jīng)過10 000 h時效后，所有焊接接頭均在彎曲時發(fā)生脆斷，斷裂位置發(fā)生在熱影響區(qū)附近的母材區(qū)域。

(5)經(jīng)過300h、1000h、3000h時效處理后，焊縫、熱影響區(qū)和母材的硬度變化不大，而經(jīng)過10 000 h時效處理后，焊縫、熱影響區(qū)和母材的硬度明顯提高。

[1]臧華勛，肖學山.新型耐蝕超級奧氏體不銹鋼中的高溫析出相[J].鋼鐵2009(2)：44-47.

[2]戴 偉.奧氏體不銹鋼焊接接頭在超高溫服役中的顯微結構轉變研究[D].湖北：武漢理工大學，2002.

[3]孫明慧.HP40Nb和HP45NbTi鎳基高溫合金爐管的焊接[D].甘肅：蘭州理工大學，2007.

Analysis of microstructure and properties of HR3C welded joint aged at 700℃for long time

ZHANG Xue-peng，WANG Ping
(Harbin Boiler Co.Ltd.，Harbin 150046，China)

The mechanical properties，serial impact toughness of the welded joint aged at 700℃for long time of HR3C were tested in this paper，optical microscopes were used to observe and analyze the microstructure.The tests show that the welded joints aged at 700℃for long time of HR3C have good tensile property，but the compounds have precipitated from the inside and borderline of grain，the bend samples have ruptured absolutely.

aging treatment；HR3C；welded joint

TG457.1

B

1001-2303(2010)02-00122-04

2010-01-28

張學鵬(1981—)，男，黑龍江哈爾濱人，碩士，主要從事焊接工作。