P92鋼焊接接頭的高溫抗氧化性研究

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（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭014010；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010051）

0 前言

P92鋼是在Cr-Mo鋼基礎(chǔ)上添加了1.8%的W、Nb和V元素，使得其高溫蠕變強(qiáng)度、服役溫度較P91鋼有所提高。在同等工況下，P92型鐵素體耐熱鋼因其熱強(qiáng)性較高、成本較低、工藝和使用性能良好等諸多優(yōu)點(diǎn)在超臨界、超超臨界火電機(jī)組中得到廣泛應(yīng)用。在機(jī)組管道的連接與修復(fù)中常使用焊接技術(shù)。焊接接頭在特殊工況下(高溫、磨料磨損等)與氧化性氣體（O2、H2O、CO2、SO2等）接觸時(shí)，會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)，對(duì)電力工業(yè)生產(chǎn)和零部件的使用壽命都會(huì)產(chǎn)生不利影響，因此不僅要求材質(zhì)具有一定的耐磨性，還要有良好的抗氧化性，才能滿足其使用性能要求[1]。

在高溫使用過(guò)程中，材料的高溫抗氧化性是限制高溫條件下材料使用壽命的主要因素之一[2]。為此，本研究依據(jù)P92鋼焊接接頭的服役溫度，分析其在氧化過(guò)程中氧化膜的形成過(guò)程及種類(lèi)，探究在高溫氧化時(shí)的動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)，辨析P92鋼焊接接頭氧化產(chǎn)物的種類(lèi)及抗氧化性特點(diǎn)，為提高P92鋼焊接接頭的高溫抗氧化性、預(yù)防失效事故提供數(shù)據(jù)支持。

1 試驗(yàn)材料

采用P92鋼作為試驗(yàn)材料，將其加工成尺寸為150 mm×150 mm×10 mm的板狀試樣，其主要化學(xué)成分如表1所示。焊接時(shí)填充焊絲為9CrWV，其化學(xué)成分如表2所示。

表1 P92鋼主要化學(xué)成分 %

表2 焊絲9CrWV化學(xué)成分 %

2 試驗(yàn)工藝及方法

2.1 焊接接頭制備

采用直流鎢極氬弧焊（直流正接），填充9CrWV焊絲，在合適的焊接工藝下獲得性能良好的焊接接頭。焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 P92鋼焊接工藝參數(shù)

2.2 試樣制備

將P92鋼焊接接頭中的母材區(qū)、熱影響區(qū)和焊縫區(qū)采用線切割制成尺寸為10mm×10mm×3mm的試樣（在熱影響區(qū)垂直焊縫方向每隔3 mm取樣）。試樣經(jīng)打磨后用游標(biāo)卡尺測(cè)量試樣的長(zhǎng)、寬、高（各測(cè)量3個(gè)點(diǎn)取其平均值，測(cè)量精度為0.02 mm），由此算出試樣表面積S。將磨制好的試樣清洗后吹干，然后用萬(wàn)分之一分析天平稱(chēng)重，得到試樣的原始質(zhì)量。同時(shí)對(duì)試驗(yàn)所用的陶瓷坩堝進(jìn)行預(yù)處理，以減少坩堝對(duì)試樣質(zhì)量的影響誤差。

2.3 抗氧化試驗(yàn)

采用增重法對(duì)P92鋼焊接接頭各個(gè)區(qū)域試樣進(jìn)行抗氧化性試驗(yàn)。將試樣放到準(zhǔn)備好的坩鍋內(nèi)，用天平稱(chēng)重，把盛有試樣的坩鍋放到中溫箱式電阻爐內(nèi)加熱到650℃（爐內(nèi)各點(diǎn)溫度均勻，與規(guī)定溫度的偏差不超過(guò)±5℃），在保溫20 h斷電冷卻后稱(chēng)重，計(jì)算加熱前后質(zhì)量變化。重復(fù)加熱、保溫、冷卻、稱(chēng)重，試驗(yàn)總時(shí)間為132 h。

2.4 試驗(yàn)方法

選用Canon7100相機(jī)對(duì)P92鋼焊接接頭在650℃空氣介質(zhì)中的氧化產(chǎn)物進(jìn)行宏觀觀察并拍照；利用Axiovert 25蔡司顯微鏡對(duì)氧化層截面進(jìn)行觀察，使用D8ADVANCE型X射線衍射儀分析P92鋼焊接接頭的氧化產(chǎn)物；采用帶有EDS的QUANTA 400環(huán)境掃描電鏡（SEM）分析其氧化產(chǎn)物形貌及元素分布情況。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 P92鋼的焊接接頭氧化后形貌觀察及分析

3.1.1 表面形貌觀察及分析

P92鋼焊接接頭在氧化132 h后的宏觀形貌如圖1所示。

由圖1可知，在650℃下空氣介質(zhì)中經(jīng)過(guò)132 h氧化后距焊縫12 mm處的D部位因離焊縫較遠(yuǎn)，焊接時(shí)受熱輸入的影響小，故與P92鋼母材部位的顏色相似，表面平整，依然呈現(xiàn)金屬光澤；與母材相比，焊縫表面較平整但是顏色較深，且有明顯的氧化顆粒形成。距離焊縫中心3 mm的A部位、距離焊縫中心6 mm的B部位、距離焊縫中心9 mm的C部位表面也比較平整，且有不同程度的氧化，顏色均為赤紅色，說(shuō)明P92鋼焊接接頭在高溫空氣氧化后外層表面生成鐵的氧化物Fe2O3[3]。下面主要以P92鋼母材、焊縫及HAZ（距離焊縫3 mm的A部位）區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，對(duì)比分析其氧化產(chǎn)物。

3.1.2 截面形貌觀察及分析

3.1.2.1 OM觀察及分析

P92鋼焊接接頭焊縫區(qū)、A部位、母材區(qū)在650℃高溫氧化132 h后截面氧化層微觀形貌如圖2所示。可以看出，P92鋼焊接接頭的各部位在不同溫度下得到的氧化層分為內(nèi)外兩層，并且整個(gè)區(qū)域內(nèi)外氧化層厚度比較均勻。

圖1 P92鋼650℃下空氣中氧化132 h后焊接接頭各區(qū)域表面宏觀形貌

圖2 P92鋼焊接接頭650℃氧化132 h氧化層截面形貌

通過(guò)測(cè)定650℃氧化132 h氧化層厚度發(fā)現(xiàn)：母材區(qū)域氧化膜厚度為27 μm，其中外層為17 μm，內(nèi)層為10 μm；焊縫區(qū)的氧化膜厚度30 μm，外層為20 μm，內(nèi)層為 10 μm；A 部位氧化膜厚度 45 μm，外層為35 μm，內(nèi)層為10μm。氧化膜厚度為母材＜焊縫＜A部位，由此可知，相同條件下母材抗氧化性能最好，焊縫次之，A部位最差，即熱影響區(qū)為P92鋼焊接接頭抗氧化性最薄弱的環(huán)節(jié)。

3.1.2.2 SEM觀察及分析

P92鋼焊接接頭氧化后的截面微觀形貌如圖3所示。可以看出，P92鋼焊接接頭在氧化132 h后，表面形成的氧化膜厚度較為均勻，在氧化膜局部區(qū)域有微裂紋產(chǎn)生。這是因?yàn)檠趸瘜优c基體的熱膨脹系數(shù)不同，從而增大了氧化膜的內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致鐵皮晶粒在生長(zhǎng)過(guò)程中晶界與應(yīng)力集中區(qū)域產(chǎn)生裂紋[4]。

3.2 P92鋼焊接接頭的氧化動(dòng)力學(xué)曲線

在650℃溫度下測(cè)定P92鋼焊接接頭不同區(qū)域隨氧化時(shí)間的質(zhì)量變化，分別計(jì)算出P92鋼焊接接頭不同區(qū)域單位表面增質(zhì)量，得出650℃焊接接頭相同區(qū)域的氧化動(dòng)力學(xué)曲線如圖4所示。

由圖4可知，在650℃空氣介質(zhì)中，隨著氧化時(shí)間的延長(zhǎng)，焊接接頭各區(qū)域氧化速率變化趨勢(shì)均為先升高后降低，最后趨于穩(wěn)定狀態(tài)，呈現(xiàn)拋物線規(guī)律[5]。由于P92鋼焊接接頭各區(qū)域在650℃下空氣介質(zhì)中的氧化動(dòng)力學(xué)變化趨勢(shì)相同，因此以不同溫度下焊縫區(qū)的氧化為例，對(duì)比分析其氧化動(dòng)力學(xué)曲線。P92鋼焊接接頭焊縫區(qū)在650℃下焊縫區(qū)氧化初期的氧化速率約為0.039 mg/（cm2·h），氧化中期的氧化速率為0.017 mg/（cm2·h），穩(wěn)定期的氧化速率為0.005 mg/（cm2·h）。對(duì)比分析可知，在氧化性介質(zhì)中，氧化初期其表面上的晶界缺陷是氧化膜晶粒形成處，氧化速度較快；氧化中期鋼中的合金元素已經(jīng)在其表面形成一層氧化物保護(hù)膜，氧化速率被合金元素的固態(tài)擴(kuò)散所控制[6]，氧化膜阻止了空氣中的氧原子和其他腐蝕性氣體進(jìn)入鋼的內(nèi)部，提高了材料在高溫工況下的抗氧化性，氧化速度減慢；最終在材料表面形成一層致密的氧化膜時(shí)，氧化速度趨于恒定。

圖3 P92鋼650℃氧化132 h焊接接頭截面微觀形貌（SEM)

圖4 650℃空氣介質(zhì)中P92鋼焊接接頭氧化動(dòng)力學(xué)曲線

圖5 P92鋼焊接接頭650℃氧化132 h后截面形貌及線掃描

3.3 P92鋼焊接接頭氧化產(chǎn)物截面形貌與成分分析

P92鋼焊接接頭的各個(gè)區(qū)域在650℃空氣介質(zhì)中氧化132 h后氧化層的形貌及元素分布如圖5所示。由圖5可知，氧化膜中Cr、Fe元素含量變化較大，其他元素基本不變；同時(shí)，在焊縫、HAZ、母材氧化膜中，O的含量波動(dòng)較小，相對(duì)而言，Cr在內(nèi)層的含量較大，F(xiàn)e在內(nèi)外層的含量變化不大。由此可知，P92鋼在經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的氧化后，內(nèi)層主要形成Cr、Fe的氧化物，外層主要形成Fe的氧化物。

在氧化過(guò)程中，由于Cr與氧的親和力較大，與氧發(fā)生氧化反應(yīng)的吉布斯自由能變化很小，且合金中的Cr元素含量相對(duì)較高，Cr元素會(huì)發(fā)生優(yōu)先氧化，形成的氧化膜在熱力學(xué)上非常穩(wěn)定，而極低的自擴(kuò)散系數(shù)又使其具有很好的保護(hù)性。

高溫下氧化進(jìn)行的方式是氣相中氧原子吸附在鋼表面，從鋼中奪取電子變成氧離子（O2-），鐵則變成鐵離子（Fe2+），這樣形成的正負(fù)電二層產(chǎn)生了很強(qiáng)的電場(chǎng)。此電場(chǎng)可將鋼表面的鐵離子拉出來(lái)或?qū)⒀蹼x子擠到晶格中去。離子移動(dòng)結(jié)果是形成氧化物的核心，并逐漸成長(zhǎng)為氧化物，形成氧化物層，F(xiàn)e氧化物層中各氧化物成長(zhǎng)情況不一樣。FeO是金屬不足型氧化物，帶有高濃度的空位氧化物，鐵離子向外移動(dòng)，不斷占據(jù)最外層氧離子的一些位置，形成新的氧化物層，處于氧化物層的外表面；Fe3O4也是金屬不足型氧化物，缺陷濃度小于FeO，大部分氧離子向內(nèi)移動(dòng)，小部分鐵離子向外成長(zhǎng)；Fe2O3是金屬過(guò)剩型氧化物，氧離子向內(nèi)移動(dòng)成長(zhǎng)[7]。

為進(jìn)一步確定內(nèi)外層氧化產(chǎn)物的區(qū)別，對(duì)P92鋼在650℃氧化132 h的內(nèi)、外層進(jìn)行點(diǎn)掃，如圖6所示。由圖6可知，在焊縫、HAZ、母材區(qū)域，整個(gè)氧化膜中Fe元素含量較高，由內(nèi)而外含量變化不大；相對(duì)而言，內(nèi)層點(diǎn)中Cr含量大大超過(guò)外層點(diǎn)的Cr含量，這與線掃描元素變化規(guī)律相吻合。說(shuō)明內(nèi)外層氧化膜中均有Fe的氧化物形成，而內(nèi)層氧化膜中也有Cr的氧化物。

3.4 P92鋼焊接接頭氧化132h后的氧化產(chǎn)物

P92鋼焊接接頭各區(qū)域在650℃氧化132 h的表面衍射圖譜如圖7所示。由圖7可知，P92鋼焊接接頭在經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的氧化后，表面均有Fe2O3氧化物生成。通過(guò)與圖5、圖6對(duì)比可知，氧化層中內(nèi)層氧化物既有Fe的氧化物，也有Cr的氧化物；外層主要為Fe的氧化物Fe2O3。這種結(jié)構(gòu)在一定溫度范圍內(nèi)是穩(wěn)定的，有良好的保護(hù)作用[8]，顯著提高P92鋼焊接接頭的抗氧化性。

4 結(jié)論

（1）在650℃高溫空氣介質(zhì)中氧化132h后，P92鋼焊接接頭各區(qū)域表面基本平整，越靠近焊縫區(qū)，表面顏色越深，氧化越嚴(yán)重。在焊縫、HAZ的A部位、母材區(qū)氧化膜的平均厚度分別為30μm，45μm，27μm。

（2）在650℃高溫空氣介質(zhì)中，隨著氧化時(shí)間的延長(zhǎng)，焊接接頭各區(qū)域氧化速率先升高后降低，最后趨于穩(wěn)定，符合拋物線規(guī)律。

（3）P92鋼焊接接頭在650℃空氣介質(zhì)氧化132 h后表面的主要氧化產(chǎn)物是Fe2O3，內(nèi)層氧化產(chǎn)物既有Fe的氧化物，也有Cr的氧化物。

圖7 P92鋼焊接接頭650℃氧化132 h的表面衍射圖譜

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