HP-NbM耐熱鋼異種焊接頭組織及性能

劉國芹，郭景鋒，古朝雄

（青島新力通工業有限責任公司，山東青島266700）

0 前言

近年來，離心鑄造HP-NbM耐熱鋼爐管因具有良好的抗滲碳性能、抗氧化性能、抗高溫蠕變斷裂強度及焊接性等，在石油化工行業得到廣泛應用，如用于制氫轉化爐、乙烯裂解爐等爐管[1-2]。爐管在服役期間，承受高溫、壓力長周期運行的苛刻工況，因此對爐管的制造和安裝質量要求較高，尤其是將長3～4m的多根管段焊接成長管時，對母材及焊縫的質量要求更高[3]。HP-NbM爐管一般通過焊接與彎頭、法蘭等部件聯結[4]，其焊接質量影響著整體爐管的服役壽命。HP-NbM爐管采用離心鑄造，該耐熱鋼中C及Cr、Ni、Nb等合金元素含量較高，容易產生焊接裂紋[5]，在整個制氫轉化爐或乙烯裂解爐管設備中焊縫成為薄弱部位，較母材更易提前失效，因此提高焊縫的性能尤為重要。對HP-NbM耐熱鋼焊接的研究主要集中在同種焊縫和服役后爐管焊接修復[3，6-8]以及焊接工藝，對異種焊接和焊縫微觀組織及力學性能的研究較少[4，9]。本研究分析了HP-NbM爐管與15CrMo鋼、0Cr18Ni10Ti不銹鋼的異種焊接頭的微觀組織和力學性能，為高溫合金爐管組裝過程中改善HP-NbM耐熱鋼的焊縫質量提供參考。

1 試驗材料和方法

HP-NbM耐熱鋼管經過中頻感應爐熔煉，離心澆鑄而成；15CrMo、0Cr18Ni10Ti管為軋制而成；焊材為英國Metrode公司生產的25.35.4CNb焊絲，焊接坡口為V型，焊接方式為手工氬弧焊（TIG）。母材及焊材的化學成分如表1所示。

表1 母材及焊材的化學成分%

圖1 焊接頭的宏觀組織

圖2 母材微觀組織

宏觀組織采用王水腐蝕（焊接頭15CrMo端采用4%硝酸酒精）。微觀組織顯示采用電解腐蝕（焊接頭15CrMo端采用4%硝酸酒精化學腐蝕），電解腐蝕液為10%草酸溶液，電壓5 V，腐蝕時間約10 s。采用徠卡光學顯微鏡、蔡司掃描電子顯微鏡觀察微觀組織及斷口形貌。采用DNS200型電子萬能試驗機測試常溫及高溫拉伸性能，常溫拉伸應變速率為0.015 min-1；高溫拉伸試驗溫度為900℃，應變速率為 0.05 min-1、0.1 min-1、0.2 min-1。

2 試驗結果與討論

2.1 宏觀組織分析

焊接頭的宏觀組織如圖1所示。焊接頭熔合線非常清晰，未出現宏觀裂紋、未熔合、夾渣等缺陷。HP-NbM耐熱鋼宏觀組織為典型的柱狀晶，焊縫部位為典型的枝晶組織，母材15CrMo鋼及0Cr18Ni10Ti不銹鋼未發現宏觀缺陷。

2.2 微觀組織分析

對兩種異種焊接頭微觀組織進行對比分析。分別觀察母材、熔合線、熱影響區3個部位的微觀組織。3種母材的微觀組織如圖2所示。由圖2可知，HP-NbM耐熱鋼微觀組織為胞狀奧氏體+骨架狀共晶碳化物[10]，碳化物為M7C3非平衡組織狀態。15CrMo鋼為鐵素體+珠光體，白色為鐵素體。0Cr18Ni10Ti不銹鋼為奧氏體，存在少量孿晶，同時在晶界存在少量碳化物。

兩種異種焊接頭的熔合線及附近的微觀組織如圖3所示。由圖3可知，兩種異種焊接頭HP-NbM端熔合線類似，碳化物在熔合線附近聚集。兩種接頭的熔合區均為粗大枝晶組織，沿熔合線部位存在部分細小柱狀晶。而靠近熔合線區域溫度梯度較大，易形成細小柱狀晶[8]。0Cr18Ni10Ti不銹鋼及15CrMo鋼熔合線附近的熔合區一側出現一條白亮帶，這主要是由于這一區域難以腐蝕形成的，而非脫碳造成[11]。0Cr18Ni10Ti焊接頭0Cr18Ni10Ti熔合線一側聚集的碳化物較多，是由于焊接過程中快冷所致。

15CrMo接頭中母材15CrMo端熱影響區組織由鐵素體+珠光體轉變為鐵素體+馬氏體，如圖4a所示。0Cr18Ni10Ti接頭中母材0Cr18Ni10Ti端熱影響區，在奧氏體基體上出現大量條狀α相，構成兩相組織，如圖4b所示，有利于降低焊接裂紋傾向。

圖3 兩種異種焊接頭的熔合線及附近組織

圖4 兩種異種焊接頭的熱影響區組織

2.3 機械性能分析

母材及焊接接頭在常溫下的拉伸試驗結果如表2所示?？梢钥闯?，0Cr18Ni10Ti異種焊接頭抗拉強度低于母材抗拉強度，而15CrMo異種焊接頭抗拉強度高于15CrMo鋼母材強度。但是兩種接頭的屈服強度均遠高于母材。由表2還可知，焊接頭斷后伸長率較母材均有所降低，并且接近母材HP-NbM的斷后伸長率，而遠低于15CrMo及0Cr18Ni10Ti兩種母材的斷后伸長率。15CrMo接頭斷裂位置為15CrMo端的熱影響區，0Cr18Ni10Ti接頭斷裂位置為0Cr18 Ni10Ti端的熱影響區。15CrMo端熱影響區產生了馬氏體，因此屈服強度提高，伸長率降低。0Cr18Ni10Ti端熱影響區也出現大量α相，提高了材料的屈服強度。斷裂位置在熱影響區說明了焊縫是整根焊管的薄弱部位。

兩種異種焊接頭在900℃不同速率條件下的抗拉強度如圖5所示。可以看出，15CrMo接頭強度低于0Cr18Ni10Ti接頭，高溫條件下異種焊接頭的抗拉強度決定于母材的高溫強度。但對于相同接頭，抗拉強度隨著應變速率的增加有所提高。

表2 母材及焊接頭常溫拉伸性能

圖5 不用應變速率下兩種焊接頭的應力-應變曲線

2.4 斷口分析

常溫及高溫下兩種異種焊接頭的拉伸斷口形貌如圖6所示?？梢钥闯觯叵聝煞N異種焊接頭斷裂均為塑性斷裂，整個斷口呈韌窩斷裂特征；而高溫下兩種斷裂方式均為韌性斷裂，0Cr18Ni10Ti接頭斷口形貌也為韌窩，但15CrMo接頭斷口由于表面覆蓋了一層氧化膜，具體形貌不能真實地展現出來。

圖6 兩種異種焊接頭的拉伸斷口形貌

3 結論

（1）HP-NbM與15CrMo焊接接頭的15CrMo端熱影響區組織由鐵素體加珠光體轉變為鐵素體+馬氏體。HP-NbM與0Cr18Ni10Ti焊接接頭的0Cr18N i10Ti端熱影響區析出較多α相。

（2）常溫下兩種異種焊接接頭屈服強度遠大于相應母材的屈服強度，且斷后伸長率低于母材。

（3）與HP-NbM與15CrMo焊接接頭相比，HPNbM與0Cr18Ni10Ti焊接接頭的高溫強度及斷后伸長率均有所增加。

（4）兩種異種焊接頭常溫及高溫下的斷裂方式均為韌性斷裂，斷口形貌為韌窩。

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