時效溫度對9Cr-CrMoV鋼焊接接頭組織和性能的影響

霍 鑫 范曼杰 劉 霞

(上海電氣電站設備有限公司上海汽輪機廠，上海 200240)

為滿足生產和生活對電能的巨大需求，降低發電煤耗和環保，超超臨界火電機組的開發和應用越來越受到關注[1]。隨著汽輪機蒸汽參數的提高，要求汽輪機轉子具有更好的性能。9Cr鋼含有B、Co等合金元素[2-3]，可細化析出相、提高蠕變強度，被廣泛應用于超超臨界汽輪機。然而，制造合乎要求的一體化轉子難度較大[4]，因此采用焊接技術，以降低轉子的制造難度，縮短生產周期并降低成本。

窄間隙埋弧焊接技術具有焊縫區域窄、成形好、節約填充金屬和焊接時間短等優點，已得到工業應用[5]，再配以多層多道焊接技術，可確保焊道的質量均勻一致[6]。由于是異種材料，在焊接中有化學成分差異及碳元素遷移等問題，影響轉子焊接接頭的穩定性[7-8]。此外，轉子在高溫時效過程中，其組織會發生變化，進而導致沖擊性能下降[9]。歐陽杰等[10]對C-422鋼進行了時效試驗，發現在630 ℃時效時，晶內及晶界有第二相粒子析出并長大，老化速度明顯加快。毛雪平等[11]將轉子用30Cr1Mo1V鋼在540、565和660 ℃進行了時效處理，發現時效溫度越高，硬度下降越明顯。

本文對9Cr-CrMoV鋼焊接接頭進行了時效工藝試驗，時效溫度為470和538 ℃，檢測了經不同工藝時效處理的焊接接頭的沖擊韌性，采用掃描電鏡(SEM)分析了沖擊試樣的斷口形貌和斷裂模式；根據焊接接頭的微觀組織如第二相粒子的分布等確定焊接接頭的組織與時效溫度之間的關系；研究了時效過程中焊接接頭不同區域組織的變化及其對接頭力學性能的影響，以及沖擊韌性與顯微組織之間的關系。

1 試驗材料與方法

1.1 母材與焊絲

母材為9Cr和CrMoV鋼，采用5%Cr焊絲，以減小9Cr鋼和CrMoV鋼之間鉻含量的差異，抑制碳遷移。母材和焊絲的化學成分如表1所示。

表1 母材和焊絲成分 (質量分數)Table 1 Chemical compositions of the base metals and welding wire (mass fraction) %

1.2 焊接過程和熱處理

采用窄間隙鎢極氬弧焊打底。窄間隙鎢極氬弧焊是焊接質量最可靠的焊接工藝之一，而且接頭質量好，焊道美觀。再采用窄間隙埋弧焊技術多層多道次填充，焊后進行熱處理，以消除焊接應力穩定組織。焊接接頭在470和538 ℃時效8 000 h，以模擬轉子的穩態運行。

1.3 顯微組織和力學性能檢測

將時效后的焊接接頭加工成標準的夏比擺錘沖擊試樣，并在室溫進行沖擊試驗。然后截取沖擊試樣的一側斷口用掃描電鏡觀察其形貌，其余部分用于顯微組織檢驗。試樣拋光后用體積比為3∶3∶5的HCl、HNO3和H2O溶液腐蝕，用光學顯微鏡和掃描電鏡檢驗組織。

2 結果與結論

2.1 顯微硬度

9Cr-CrMoV鋼焊接接頭470和538 ℃時效8 000 h后的顯微硬度分布如圖1所示。從圖1可以看出，接頭兩側熱影響區顯微硬度值變化急劇，兩側熔合線附近硬度最高。這是焊接過程中產生碳遷移所致。在兩側靠近母材的熱影響區有一個軟化區，即過回火區，硬度極低。該區域的焊接熱傳遞較為緩和，且焊接余熱對該區域組織有近似回火的作用[12-13]。從圖1可以發現，整個焊接接頭的顯微硬度分布不均勻，并且不同溫度時效后不同區域的顯微硬度變化幅度不同，時效溫度對9Cr鋼母材和熱影響區的顯微硬度影響不大，而CrMoV鋼母材、熱影響區及焊縫區的顯微硬度隨時效溫度的升高而降低。通常，硬度越高韌性越差。焊縫區在538 ℃時效后整體硬度下降，說明焊縫區的韌性較高。為了研究不同溫度時效后焊縫區的韌性變化，測定了焊縫中心區的沖擊性能。

圖1 不同工藝時效后9Cr-CrMoV鋼焊接接頭的硬度分布Fig.1 Hardness profile in the welded 9Cr-CrMoV steel joint after being aged by different procedures

2.2 沖擊性能

470 ℃時效8 000 h的接頭焊縫區沖擊吸收能量分別為26.3、19.6和18.4 J，平均21.4 J；538 ℃時效的為24.3、23.2和21.2 J，平均22.9 J，說明焊縫區在高溫下組織會發生變化。為更加準確地研究時效溫度對沖擊韌性的影響，檢驗了沖擊試樣的斷口形貌，如圖2所示。

圖2為470和538 ℃時效8 000 h的9Cr-CrMoV鋼焊接接頭焊縫沖擊試樣的斷口形貌。從圖2(a)和2(c)中可以看出，整個斷面較為平整，主要由放射區構成，且斷口均具有準解理斷裂特征。準解理斷裂占整個斷面的比例反映材料的脆性，由于沖擊斷口中準解理斷裂部分所占比例較大，說明材料的沖擊韌性較低。圖2(b)和2(d)是B和D區域的放大圖，從圖中可以觀察到準解理斷裂面由許多小裂面構成，而且小裂面均有解理臺階。在兩個準解理面交接的區域產生了明顯的韌窩帶，準解理面還發現有河流狀花樣。

圖2 470和538 ℃時效8 000 h的焊縫沖擊試樣的斷口形貌Fig.2 Patterns of the fractures of impact specimens taken from the welds aged at 470 ℃ and 538 ℃ for 8 000 h

2.3 顯微組織

圖3(a)和3(b)為470 ℃時效8 000 h的9Cr-CrMoV鋼焊接接頭9Cr鋼母材和熱影響區的顯微組織。9Cr鋼母材為板條馬氏體，板條特征清晰可見。9Cr鋼熱影響區組織為回火馬氏體，由于受焊接熱的影響，原子的活性增大，馬氏體中的過飽和碳逐步以碳化物的形式析出，板條特征消失，轉變為回火馬氏體。圖3(b)表明，焊縫與母材之間的熔合線十分清晰，而且在鄰近熔合線的熱影響區存在灰色長帶——碳遷移帶，寬約50 μm。圖3(c)和3(d)為碳遷移引起的貧碳區和富碳區形貌[14]，貧碳區位于緊鄰熔合線的焊縫中，第二相粒子較少，尺寸也較小。而富碳區位于熱影響區，第二相粒子較多，分布密集，較粗大。

圖4(a)和4(b)為470 ℃時效8 000 h的焊接接頭CrMoV鋼母材及熱影響區的顯微組織。CrMoV鋼母材和熱影響區均為回火馬氏體組織。從圖4(b)中可以觀察到緊鄰熔合線的焊縫中存在碳遷移帶，由于CrMoV鋼母材與焊縫金屬中強碳化物形成元素鉻的含量差異較小，所以碳遷移帶沒有9Cr鋼側的明顯。圖4(c)和4(d)為碳遷移引起的貧碳區和富碳區的組織形貌，貧碳區位于CrMoV鋼熱影響區，第二相粒子較少，尺寸較?。桓惶紖^位于緊鄰熔合線的焊縫中，第二相粒子較多，且較粗大。

圖5(a)和5(b)為538 ℃時效8 000 h的接頭中9Cr鋼母材和熱影響區的顯微組織。9Cr鋼母材為板條馬氏體，熱影響區為回火馬氏體。圖5(c)和5(d)為貧碳區和富碳區的組織形貌，貧碳區位于緊鄰熔合線的焊縫部位，而富碳區位于熱影響區，第二相粒子數量和尺寸差異明顯。圖6(a)和6(b)為538 ℃時效8 000 h的接頭CrMoV鋼母材及熱影響區的顯微組織，均為回火馬氏體。圖6(c)和6(d)為貧碳區和富碳區的組織形貌，貧碳區位于CrMoV鋼熱影響區，而富碳區位于緊鄰熔合線的焊縫部位?？梢姡瑫r效溫度從470 ℃提高到538 ℃，9Cr和CrMoV鋼母材及熱影響區組織均未發生明顯變化，說明9Cr和CrMoV鋼具有良好的高溫穩定性。時效溫度提高產生的最明顯的影響是析出相發生一定程度的粗化。

圖3 470 ℃時效8 000 h的接頭中9Cr鋼側不同特征區域的顯微組織Fig.3 Microstructures of different characteristic zones on the side of 9Cr steel in the joint aged at 470 ℃ for 8 000 h

圖4 470 ℃時效8 000 h的接頭中CrMoV鋼側不同特征區域的顯微組織Fig.4 Microstructures of different characteristic zones on the side of CrMoV steel in the joint aged at 470 ℃ for 8 000 h

圖7為470和538 ℃時效8 000 h的9Cr-CrMoV鋼焊接接頭焊縫區的顯微組織，可以看出，隨著時效溫度的提高,焊縫組織未發生明顯改變，均為回火馬氏體。圖7(c)為470 ℃時效8 000 h的焊縫區組織，從圖中可以看出,第二相粒子比較彌散，部分在晶界偏聚，且晶界的第二相粒子尺寸大于晶內的。這說明，在高溫長時間時效過程中，焊縫區晶界的第二相粒子會優先粗化。當時效溫度提高到538 ℃后，如圖7(d)所示，晶界第二相粒子粗化更為顯著，且更明顯地在晶界偏聚，導致晶界強化作用增強，有利于沖擊韌性的提高[15-16]。

圖5 538 ℃時效8 000 h的接頭中9Cr鋼側不同特征區域的顯微組織Fig.5 Microstructures of different characteristic zones on the side of 9Cr steel in the joint aged at 538 ℃ for 8 000 h

圖6 538 ℃時效8 000 h的接頭中CrMoV鋼側不同特征區域的顯微組織Fig.6 Microstructures of different characteristic zones on the side of CrMoV steel in the joint aged at 538 ℃ for 8 000 h

3 結論

(1)9Cr-CrMoV鋼焊接接頭由于母材和熱影響區組織不均勻，導致硬度不均勻，富碳區硬度最高，且隨著時效溫度的升高，焊縫硬度降低。

(2)9Cr-CrMoV鋼焊接接頭焊縫的斷裂模式為準解理斷裂，焊縫沖擊韌性隨著時效溫度的升高而提高。538 ℃時效8 000 h后，析出相在晶界聚集，晶界強化作用加強，晶內析出相的粗化使基體軟化導致沖擊韌性提高。

(3)采用5%Cr焊絲具有過渡鉻含量的作用，并減弱碳遷移。

圖7 470(a,c)和538 ℃(b,d)時效8 000 h的接頭中焊縫區的顯微組織Fig.7 Microstructures of welding beam in the joint aged at 470 ℃ (a,c) and 538 ℃ (b,d) for 8 000 h

接頭中9Cr鋼側的碳遷移帶位于緊鄰熔合線的熱影響區，而CrMoV鋼側的碳遷移帶位于緊鄰熔合線的焊縫中。焊縫和CrMoV鋼母材、熱影響區及9Cr鋼熱影響區組織均為回火馬氏體，而9Cr鋼母材組織為板條馬氏體。經過長時間高溫時效后，各特征區的組織未發生明顯變化。