超超臨界機組用Super304H鋼焊接接頭的組織和性能

李學峰，張忠文，李新梅，杜寶帥，張 麗

（1.國網技術學院，山東濟南250061；2.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東濟南250002）

超超臨界機組用Super304H鋼焊接接頭的組織和性能

李學峰1，張忠文2，李新梅2，杜寶帥2，張 麗1

（1.國網技術學院，山東濟南250061；2.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東濟南250002）

采用光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡及能譜儀等手段，通過拉伸試驗、彎曲試驗、沖擊試驗和硬度試驗，研究超超臨界機組用Super304H奧氏體耐熱鋼焊接接頭的微觀組織和力學性能。結果表明：Super304H鋼焊接接頭的組織均為γ+析出相，熱影響區(qū)的晶粒尺寸有明顯的長大，焊縫組織是典型的胞狀樹枝晶，枝晶界上的析出相主要為Nb（C，N）。Super304H鋼焊接接頭具有較高的強度和良好的塑韌性，但接頭的組織形態(tài)對韌性有重要影響，粗大的柱狀晶是焊縫韌性降低的重要原因，熔合區(qū)因Nb（C，N）析出強化硬度較高。

超超臨界機組；Super304H鋼；焊接接頭；組織與性能

0 前言

Super304H鋼是由日本住友金屬會社和三菱重工聯(lián)合研制出的一種新型細晶粒奧氏體耐熱鋼，它是在TP304H鋼的基礎上，添加3％Cu、0.45％Nb和一定量的N，提高了鋼的高溫強度，并且在成材工藝上，通過調整軟化處理溫度和固溶處理溫度獲得細小的奧氏體晶粒，以達到抗高溫蒸汽氧化性的目的。Super304H鋼因其優(yōu)良的綜合性能和成本，在超超臨界（Ultra-supercritical，USC）機組中得到了廣泛應用，國內建設的USC鍋爐高溫過熱器和再熱器大都采用了Super304H鋼[1-4]。

Super304H鋼的特點是晶粒細化和析出強化[5]，但是在焊接條件下這兩個特點都將發(fā)生變化；熔敷金屬結晶為一次粗大奧氏體柱狀晶粒，使得焊縫析出相的數(shù)量、分布、形態(tài)都會有很大的差別，造成焊接

接頭與母材的性能不同。供貨狀態(tài)下Super304H鋼的室溫組織是單一奧氏體基體，當焊接熱影響區(qū)晶粒粗化后會增大熱裂傾向，熔敷金屬結晶為一次奧氏體相，增大熱裂敏感性[6]，因此制定焊接工藝的原則是采用較小的焊接熱輸入量，并保持較低的層間溫度。本研究采用日本住友生產的Super304H鋼管，通過手工鎢極氬弧焊制備焊接接頭，深入研究接頭的微觀組織和力學性能，為完善Super304H鋼的焊接工藝提供參考數(shù)據(jù)。

1 試驗材料和試驗方法

1.1 試驗材料

試驗用Super304H鋼管規(guī)格為φ45 mm×9 mm；焊絲為配套的氬弧焊絲#T-304H，φ2.4 mm。采用SPECTROLAB定量光譜儀實測Super304H鋼管和焊絲的化學成分，如表1所示。

表1 Super304H鋼管和焊絲的化學成分Tab.1Chemical composite of Super304H tube and electrode used in the experiment ％

1.2 試驗方法

利用機械加工方法將Super304H鋼管端面加工成V型坡口，其尺寸為：坡口面角度30°～35°，鈍邊0.5～1 mm，對口間隙2.5～3 mm。置于45°固定位置對接焊接，焊接方法為手工鎢極氬弧焊（GTAW），氬氣保護流量8～11 L/min，多層多道焊，采用紅外線測溫儀檢測，控制層間溫度不超過150℃，見表2。

表2 焊接工藝參數(shù)Tab.2Weld parameters

依據(jù)標準[7]，利用線切割方法加工Super304H鋼焊接接頭的金相試樣、拉伸試樣、彎曲試樣和沖擊試樣，其中沖擊試樣的規(guī)格為55 mm×10 mm× 5 mm、V形缺口。在WES-600D液壓萬能試驗機上進行拉伸試驗和彎曲試驗；在JB-30B沖擊試驗機上進行常溫沖擊試驗，在JSM-6380LA型掃描電鏡下觀察斷口的微觀形貌；研磨拋光Super304H鋼焊接接頭試樣，利用王水進行腐蝕，通過Olympus Model BX51M型光學顯微鏡觀察金相組織，并在JSM-6380LA型掃描電鏡下觀察組織的微觀形貌；用MH-6顯微硬度計測量試樣的顯微硬度（實驗載荷200 g，加載時間15 s）。

2 試驗結果和分析

2.1 焊接接頭的顯微組織

在供貨狀態(tài)下，Super304H鋼的組織為單一的γ-基體，奧氏體晶粒細小均勻，其上有一定數(shù)量的析出相分布，析出相種類主要為Nb（C，N）和富銅相[8]。在焊接條件下，Super304H鋼焊接接頭的金相組織仍為γ-基體，焊縫金屬的組織形態(tài)為柱狀晶和胞狀晶，并且晶粒粗大、尺寸不均勻；焊接熱影響區(qū)組織的晶粒尺寸不均勻，靠近熔合區(qū)的部位因受到較大的熱輸入，其晶粒有明顯的長大，如圖1所示。

圖1 Super304H鋼焊接接頭的金相組織Fig.1Metallographic structure for weldment of Super304H steel

在掃描電鏡下觀察Super304H鋼焊接接頭的微觀組織，如圖2所示，接頭各區(qū)域的組織都是由γ+析出相組成。熔合區(qū)和焊縫金屬組織中的析出相主要沿晶界分布，其形態(tài)呈顆粒狀和條狀。結晶過程中因Nb等元素在晶界處發(fā)生偏析，過飽和的Nb以Nb（C，N）形式析出。

圖2 Super304H鋼焊接接頭SEM照片和能譜分析Fig.2SEM micrographs and energy spectrum analysis for weldment of Super304H steel

2.2 焊接接頭的力學性能

（1）拉伸試驗和彎曲試驗。

在室溫條件下進行Super304H鋼焊接接頭的拉伸試驗，結果如表3所示。兩個拉伸試樣全部斷于焊接接頭熔合線以外的母材上，其抗拉強度都高于標準規(guī)定的最小值550 MPa，說明接頭強度不低于母材。

表3 Super304H鋼焊接接頭室溫拉伸性能Tab.3Tensile properties for weldment of Super304H steel at room temperature

加工Super304H鋼焊接接頭面彎和背彎各兩個試樣，分別進行彎曲試驗，壓頭直徑和支座間距分別為40 mm和57 mm，試樣彎曲180°后進行檢查，四個試樣的內外彎曲表面均無裂紋產生，說明Super304H鋼焊接接頭具有良好的塑性。

（2）硬度試驗。

Super304H鋼焊接接頭中焊縫金屬至母材的顯微硬度變化曲線如圖3所示。整個焊接接頭的硬度值分布并不均勻，熔合區(qū)由于處于半熔融狀態(tài)，基體中過飽和的Nb在高溫下向半熔融晶界擴散，凝固過程中會有大量Nb（C，N）析出（見圖2），引起該區(qū)域產生析出強化，硬度相對較高。軟化區(qū)因為富Cu相全部溶解以及Nb（C，N）部分溶解引起沉淀強化效果減弱，硬度較低。

（3）沖擊試驗。

Super304H鋼焊接接頭各區(qū)域的沖擊功如圖4所示，焊縫的沖擊功較低，焊接熱影響區(qū)組織不均勻，導致其沖擊功低于母材。Super304鋼焊接接頭沖擊試樣斷口擴展區(qū)微觀形貌如圖5所示，焊接熱影

響區(qū)斷口形貌為韌窩斷裂，焊縫斷口的微觀形貌與焊縫的結晶組織形態(tài)相關聯(lián)，斷口面上類似的小韌窩是胞晶形狀的反映，韌窩淺且斷口平坦，表現(xiàn)在裂紋擴展時受到的阻力較低，因此焊縫的沖擊功較低。

圖3 Super304H鋼焊接接頭的顯微硬度分布Fig.3Microhardness distribution for weldment of Super-304H steel

圖4 Super304H鋼焊接接頭的沖擊功值Fig.4Impact energy values for weldment of Super304H

圖5 Super304H鋼焊接接頭沖擊試樣斷口SEM形貌Fig.5Impact fracture morphology for weldment of Super304H steel after impact test

3 結論

（1）Super304H鋼焊接接頭在焊接條件下其組織均為γ+析出相，焊縫金屬組織是典型的胞狀樹枝晶，枝晶界上的析出相主要為Nb（C，N）；而靠近熔合區(qū)處的焊接熱影響區(qū)晶粒尺寸有明顯長大趨勢。

（2）Super304H鋼焊接接頭具有良好的塑、韌性和較高的強度，接頭各項力學性能指標滿足標準要求。熔合區(qū)因Nb（C，N）的析出強化硬度較高；接頭的組織形態(tài)對韌性有重要影響，焊縫粗大的柱狀晶是引起焊縫韌性降低的重要原因。

[1]Igarashi M.Creep Properties of Heat Resistant Steels and Superalloys[M].Springer：Springer Berlin Heidelberg，2004：260-264.

[2]Sawaragi Y，Ogawa K，Kato S，et al.Development of the Economical 18-8 Stainless Steel(Super304H)Having High Elevatweld Temperature Strength for Fossil Fired Boillers [J].The Sumitomo Search，1992，48（1）：50-58.

[3]Kan T，Sawaragi Y，Yamadera Y，et al.Properties and Experiences of a New Austenitic Stainless Steel Super 304H (0.1C-18Cr-9Ni-3Cu-Nb-N)Tubes for Boiler Tube Application[C].Belgium：Materials for advanced power engineering，1998：441-450.

[4]Sawaragi Y，Otsuka N，Senba H，et al.Properties of a new 18-8 austenitic steel tube(SUPER 304H)for fossil fireld boilers after service exposure with high elevated temperature strength[J].Sumitomo Search，1994（56）：34-43.

[5]李新梅，鄒勇，張忠文，等.Super304H奧氏體耐熱鋼微觀組織研究[J].材料科學與工藝，2010，18（2）：281-286.

[6]王志軍.Super304H鋼鋼脈沖弧焊焊接工藝及性能試驗[J].電力建設，2013，34（6）：109-112.

[7]DL/T868-2014，焊接工藝評定規(guī)程[S].北京：國家能源局，2014.

[8]李新梅，鄒勇，張忠文，等.Super304H奧氏體耐熱鋼微觀組織研究[J].材料科學與工藝，2010，18（2）：256-261.

Microstructure and properties of welded joint of Super304H steel applied in ultra-supercritical unit

LI Xuefeng1，ZHANG Zhongwen2，LI Xinmei2，DU Baoshuai2，ZHANG Li1
（1.Technology College，State Grid Corporation of China，Ji'nan 250061，China；2.Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250002，China）

Microstructure and mechanical properties of welded joint of Super304H steel applied in Ultra-supercritical unit were investigated by optical microscopy，scanning electron microscopy，energy dispersive X-ray spectroscopy，tensile test，bending test，impact test and hardness measurement.The results show that microstructure of welded joint of Super304H steel consists of γ phase and precipitates.Grain growth is observed clearly in the heat affected zone.Weld metal shows the microstructure of cellular dendrite and precipitates formed along the dendrite grain boundaries is Nb(C，N).Relatively high strength and good ductility and toughness are obtained for the welded joint ofSuper304H steel.However，it is found that microstructure ofthe welded joint has obvious influence on the toughness. Formation of coarse column grain is an important reason for the toughness reduction of the weld metal.Hardness of the fusion zone shows relativelyhigh value due tothe precipitation strengtheningofthe Nb(C,N).

USC unit；Super304H steel；welded joint；microstructure and property

TG457.11

A

1001-2303（2016）10-0108-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.10.22

獻

李學峰，張忠文，李新梅，等.超超臨界機組用Super304H鋼焊接接頭的組織和性能[J].電焊機，2016，46（10）：108-111.

2016-03-21；

2016-06-13

李學峰（1962—），男，山東臨沂人，副教授，主要從事電氣工程應用及金屬材料的研究工作。