新型轉(zhuǎn)子鋼25Cr2Ni4MoV的焊接性及接頭性能

，

（東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽(yáng)618200）

0 前言

隨著單機(jī)容量的提升，核電汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的體積和質(zhì)量越來(lái)越大，對(duì)于容量為1 000 MW超超臨界機(jī)組，超凈化大型轉(zhuǎn)子鍛件的鋼錠質(zhì)量在20世紀(jì)80年代中期就已經(jīng)達(dá)到幾百噸[1]。世界上只有幾家大公司能夠生產(chǎn)大型核電汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件，鍛造生產(chǎn)工藝復(fù)雜，技術(shù)條件要求高，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的要求也很高。機(jī)組容量增大，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和質(zhì)量也變得越來(lái)越大，現(xiàn)有鍛造設(shè)備和技術(shù)已經(jīng)成為汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子加工行業(yè)發(fā)展的瓶頸[2]。國(guó)內(nèi)外多家單位都在研究采用焊接其結(jié)構(gòu)替代整體鍛壓的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)[3]。

隨著焊接轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的發(fā)展變化，現(xiàn)有核電低壓轉(zhuǎn)子用鋼22Cr2NiMo、25Cr2NiMoV、30Cr2Ni4MoV逐漸不適應(yīng)產(chǎn)品需求，主要不足在于淬透性造成鍛件心部不能滿足要求，影響淬透性的合金元素主要是C、Cr、Ni和 Mn。基于上述原因，國(guó)內(nèi)以25Cr2NiMoV和30Cr2Ni4MoV為基礎(chǔ)進(jìn)行成分設(shè)計(jì)，并經(jīng)過(guò)成分篩選，研發(fā)新的轉(zhuǎn)子材料25Cr2Ni4MoV[4]。新材料可以作為新一代低壓核電焊接轉(zhuǎn)子材料、中低壓復(fù)合轉(zhuǎn)子復(fù)合轉(zhuǎn)子[5]。但對(duì)于焊接轉(zhuǎn)子而言，焊接中會(huì)難以避免地在接頭處造成成分、組織和力學(xué)性能的不均勻性。目前對(duì)于新轉(zhuǎn)子材料的焊接性的研究也鮮有報(bào)道，在此對(duì)25Cr2Ni4MoV鋼的焊接性展開(kāi)研究，為未來(lái)生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為經(jīng)875℃回火25h的25Cr2Ni4MoV鍛件[6]，其主要化學(xué)成分如表1所示。焊接性試驗(yàn)采用GTAW，焊材選用NiCrMo2.5-IG材料，焊接電流80±10 A，電壓 9±1 V，焊接速度 80±5 mm/min，氬氣流量10 L/min。

表1 25Cr2Ni4MoV鍛件主要化學(xué)成分 %

2 試驗(yàn)

2.1 焊接熱影響區(qū)硬度試驗(yàn)

按照GB4675焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)方法在5種預(yù)熱溫度條件進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖1。不預(yù)熱狀態(tài)，HAZ最高硬度達(dá)HV465，平均硬度HV450；預(yù)熱100℃，HAZ最高硬度為HV455，平均硬度HV448，當(dāng)預(yù)熱提高到200℃時(shí)，HAZ最大硬度值為HV443，平均值HV435，硬度值有所下降；當(dāng)預(yù)熱為300℃時(shí)，HAZ最高硬度值為HV450，平均硬度HV440。可見(jiàn)預(yù)熱100℃焊接并未對(duì)HAZ硬度分布產(chǎn)生明顯影響；預(yù)熱300℃時(shí)，硬度值沒(méi)有進(jìn)一步下降，反而略有上升，與預(yù)熱200℃時(shí)非常接近。當(dāng)預(yù)熱溫度提高至400℃時(shí)，硬度值出現(xiàn)了較明顯的下降，最高硬度值為HV400，平均硬度只有HV395。結(jié)果表明，在300℃以下預(yù)熱時(shí)，HAZ硬度值沒(méi)有出現(xiàn)明顯變化，提高到300℃以上，HAZ的硬度出現(xiàn)明顯的降低。

圖1 25Cr2Ni4MoV熱影響區(qū)硬度變化

圖2 25Cr2Ni4MoV解剖試樣

2.2 斜Y坡口裂紋試驗(yàn)

按照GB4678對(duì)25Cr2Ni4MoV分別在5個(gè)溫度下（室溫、100℃、200℃、300℃、350℃）進(jìn)行斜 Y坡口焊接裂紋試驗(yàn)，焊后室溫時(shí)效處理48 h，結(jié)果如圖2所示。采用放大鏡觀察截取的試塊截面，未發(fā)現(xiàn)裂紋、氣孔、未熔合及未焊透等缺陷。預(yù)熱溫度為350℃時(shí)，底部成形美觀，無(wú)氧化膜。

2.3 冷裂紋插銷試驗(yàn)

按照GB9446焊接用插銷冷裂紋試驗(yàn)方法分別在3個(gè)溫度下（室溫、100℃、200℃）進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果如圖3所示。在不預(yù)熱時(shí)臨界斷裂應(yīng)力為250 MPa，預(yù)熱100℃臨界斷裂應(yīng)力為290 MPa，當(dāng)預(yù)熱溫度為200℃時(shí)臨界斷裂應(yīng)力為700 MPa。材料的屈服強(qiáng)度為760～860 MPa，室溫下的臨界斷裂應(yīng)力只有屈服強(qiáng)度的30%，冷裂紋很敏感；當(dāng)預(yù)熱100℃時(shí)，臨界斷裂應(yīng)力有一定的提高，為屈服強(qiáng)度的36%，冷裂紋依然很敏感。當(dāng)預(yù)熱溫度提高到200℃時(shí)，其臨界斷裂應(yīng)力增加到屈服強(qiáng)度的86%，抗冷裂紋敏感性大大提高。

圖3 25Cr2Ni4MoV插銷試驗(yàn)應(yīng)力時(shí)間曲線

3 分析與討論

3.1 接頭常溫力學(xué)性能

焊接接頭的強(qiáng)度與母材相當(dāng)，室溫沖擊性能滿足Akv≥81 J要求[7-8]，熱影響區(qū)沖擊性能低于焊縫，接頭彎曲合格。其韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-20℃，脆斷面積為 50%，滿足 TK（50%）＜-10℃技術(shù)要求[9-10]，熱影響區(qū)硬度高于焊縫和母材。接頭力學(xué)性能如表2所示，韌脆轉(zhuǎn)變溫度沖擊性能如表3所示，焊縫上部和根部硬度分布分別如圖4、圖5所示。

表2 接頭力學(xué)性能

表3 韌脆轉(zhuǎn)變溫度沖擊性能

3.2 焊接接頭短時(shí)高溫拉伸性能

在300℃下進(jìn)行高溫短時(shí)拉伸試驗(yàn)，取樣時(shí)共分為6層，覆蓋全焊縫厚度，每層取2個(gè)共12個(gè)試樣。拉伸數(shù)據(jù)分布如圖6所示，焊接接頭的高溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果非常接近，性能非常均勻，300℃高溫拉伸性能約為670 MPa[11-12]。

圖4 焊縫上部硬度分布

圖5 焊縫根部硬度分布

圖6 高溫短時(shí)拉伸數(shù)據(jù)分布

3.3 微觀組織分析

3.3.1 微觀金相

沿母材—熱影響區(qū)—焊縫—熱影響區(qū)—母材方向進(jìn)行微觀組織分析，如圖7～圖10所示。左側(cè)母材組織為回火貝氏體，晶粒度2～3級(jí)[13-14]，焊縫為貝氏體與鐵素體組織，熱影響區(qū)為貝氏體組織。

3.3.2 斷口形貌

選擇典型的沖擊試樣斷口進(jìn)行掃描分析，如11～圖13所示，斷口均由脆性斷裂區(qū)和纖維斷裂區(qū)組成。脆性斷裂區(qū)為沿晶和準(zhǔn)解理，隨著預(yù)熱溫度的升高，沿晶成分減少，準(zhǔn)解理部分增大。裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)域分布著大量的淺韌窩，表明裂紋在此處擴(kuò)展過(guò)程中經(jīng)歷了較大的塑性變形，韌性較好。局部區(qū)域斷口呈現(xiàn)棱角分明的“巖石狀”形貌[15-16]，裂紋在此處形成撕裂嶺很小的準(zhǔn)解理斷裂，附近有少量的淺韌窩，表明斷口在此處斷裂時(shí)只需消耗少量能量就沿光滑解理面迅速擴(kuò)展。

圖7 母材微觀組織

圖8 左側(cè)HAZ微觀組織

圖9 焊縫微觀組織

圖10 右側(cè)HAZ微觀組織

圖11 室溫下啟裂和擴(kuò)展區(qū)

圖12 200℃下啟裂和擴(kuò)展區(qū)

圖13 400℃啟裂和擴(kuò)展區(qū)

3.4 討論

綜上焊接接頭的常溫力學(xué)性能、短時(shí)高溫拉伸性能、微觀組織和斷口形貌的分析可知，HAZ的晶界析出物以間斷或者半連續(xù)狀態(tài)分布，這有利于強(qiáng)化晶界；HAZ中未出現(xiàn)粗晶區(qū)，也有利于HAZ提高韌性。雖然HAZ的硬度高于母材，但其韌性并不比母材差，這主要受益于未粗化的晶粒以及細(xì)小的析出物對(duì)晶界的釘扎作用。相比現(xiàn)有核電低壓轉(zhuǎn)子用鋼，新型轉(zhuǎn)子鋼25Cr2NiMoV鋼在成分上的一個(gè)顯著變化是添加了微量元素。從微觀組織和斷口形貌可以看出，除了與某些元素形成化合物外，微量元素會(huì)以間隙原子形式存在母相中。早期研究表明，當(dāng)溶質(zhì)原子與母相原子尺寸差異較大時(shí)，由于內(nèi)表面吸附，小尺寸溶質(zhì)原子并非均勻分布晶內(nèi)，而是優(yōu)先分布在晶界層內(nèi)。另外，晶界處位錯(cuò)密集，也可吸附大量的溶質(zhì)原子。因此，內(nèi)吸附和位錯(cuò)吸附會(huì)導(dǎo)致大量溶質(zhì)原子在晶界處聚集。

除微量元素對(duì)HAZ組織的積極影響外，Mo元素也可能有利于提高HAZ韌性。根據(jù)高溫性能可以得出，新型轉(zhuǎn)子鋼中加入1%V元素，鋼中的V能形成細(xì)小彌散的碳化物和氮化物，分布在晶內(nèi)和晶界，阻礙碳化物聚集長(zhǎng)大，提高蠕變強(qiáng)度。V與C的親和力大于Cr和Mo，可阻礙Cr和Mo形成碳化物，促進(jìn)Cr和Mo的固溶強(qiáng)化作用。但鋼中的V含量不宜過(guò)高，否則V的碳化物高溫下會(huì)聚集長(zhǎng)大，降低鋼的熱強(qiáng)性或使鋼材脆化。鋼中W的作用與Mo相似，能強(qiáng)化固溶體，提高再結(jié)晶溫度，增加回火穩(wěn)定性，提高蠕變強(qiáng)度。鋼中Nb和Ni都是碳化物形成元素，可以析出細(xì)小彌散的金屬化合物，提高鋼材的高溫強(qiáng)度、抗晶間腐蝕能力和抗氧化能力，改善鋼的焊接性。

4 結(jié)論

（1）新型轉(zhuǎn)子鋼25Cr2NiMoV的冷裂紋敏感性強(qiáng)，焊接時(shí)預(yù)熱溫度應(yīng)大于300℃。

（2）焊接接頭常溫力學(xué)性能和高溫短時(shí)拉伸均達(dá)到焊接轉(zhuǎn)子焊縫金屬?gòu)?qiáng)度和塑性要求，焊縫區(qū)的最大硬度為HV390，位于焊縫熱影響區(qū)。

（3）沖擊斷口由脆性斷裂區(qū)和纖維斷裂區(qū)組成，脆性斷裂區(qū)為沿晶和準(zhǔn)解理，裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)域上分布著大量淺韌窩。

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