700 ℃超超臨界機組鍋爐候選材料異種焊接頭服役組織研究

張 捷，尹宏飛，呂海濤，石偉棟，郭 通，文作偉

（1.華能秦煤瑞金發(fā)電有限責(zé)任公司，江西 贛州 341000；2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

我國煤炭資源豐富，燃煤火電廠提供了我國約70%的電力需求量，預(yù)計在未來很長一段時間內(nèi)，煤電仍然會在電力供應(yīng)中占據(jù)主導(dǎo)地位。采用高參數(shù)超超臨界火電機組是燃煤發(fā)電的主要發(fā)展方向之一，對節(jié)約能源、降低污染物和二氧化碳的排放等均具有十分重要的戰(zhàn)略意義和實際應(yīng)用價值。在燃煤發(fā)電領(lǐng)域，歐洲、美國和日本都在積極研發(fā)700 ℃先進(jìn)超超臨界（A-USC）燃煤發(fā)電技術(shù)[1-5]，并已研發(fā)了系列高溫合金材料，如Inconel740/740H[6-9]、CCA617[10-12]及Haynes282等合金[13]。發(fā)展700 ℃ A-USC發(fā)電技術(shù)是我國在“碳達(dá)峰”前實現(xiàn)煤炭清潔發(fā)電最有效的途徑。隨著國內(nèi)首個（唯一）700 ℃發(fā)電機組關(guān)鍵部件驗證試驗平臺的投運，該平臺可模擬700 ℃超超臨界電站鍋爐的運行工況，并對國內(nèi)外主要候選高溫合金材料進(jìn)行服役條件下的驗證[14-15]，先后有國外高溫合金材料Inconel740H、CCA617、Haynes282及國內(nèi)高溫合金材料TG700A/B、C-HRA-1/3、HT700T、GH2984G等主要候選材料進(jìn)行了服役工況下的長時驗證。

焊接是火電機組部件生產(chǎn)制造及安裝建設(shè)過程中最重要的環(huán)節(jié)之一，而高溫部件焊接接頭的質(zhì)量和性能則直接關(guān)系到整個機組的安全運行。高溫合金材料在700 ℃ A-USC機組中的大量應(yīng)用對火電焊接技術(shù)提出了更高的要求，尤其是高溫合金本身熱導(dǎo)率低、熱膨脹系數(shù)大、液相流動性差等特點，易導(dǎo)致焊接裂紋等缺陷的產(chǎn)生，且復(fù)雜的合金成分進(jìn)一步增大了異種焊的難度。

TG700A是太原鋼鐵（集團）有限公司在Inconel740H合金基礎(chǔ)上進(jìn)行國產(chǎn)化的Ni-25Cr-20Co鎳鈷基高溫合金材料[16-17]，HT700T是國內(nèi)自主開發(fā)的700 ℃超超臨界電站鍋爐的候選鎳鐵基高溫合金材料[18]。根據(jù)工況條件，選用Haynes282合金焊絲（ERNiCrCoMo-2）作為焊接填充金屬，可與TG700A母材“等匹配”，與HT700T母材“高匹配”，且焊接性較好[19]。對在高溫下長時間服役的電站關(guān)鍵高溫部件的焊接接頭，其微觀組織在熱力學(xué)上有充分的時間發(fā)生演化，這就要求焊接接頭具有較好的組織穩(wěn)定性，以保證焊接接頭在高溫服役過程中安全。本文通過對HT700T/TG700A異種焊接頭在740 ℃左右服役約1萬h后進(jìn)行取樣，考察了微觀組織和顯微硬度的演化，對焊接接頭組織的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。

1 實驗方法

采用Haynes282合金焊絲（ERNiCrCoMo-2）對HT700T/TG700A異種焊接頭進(jìn)行焊接，母材鍋爐管規(guī)格為Φ44.5 mm×10.0 mm，采用60° V型坡口、無鈍邊。焊絲及母材的化學(xué)成分見表1，HT700T/TG700A焊接接頭的型式如圖1所示，采用鎢極氬弧焊（TIG）進(jìn)行4層橫焊，焊接工藝參數(shù)見表2。其中，第1道（層）打底焊為單面焊雙面成型，第2、第3道（層）為填充焊，第4、第5道為蓋面焊，焊后進(jìn)行時效熱處理。

表1 母材及焊絲主要化學(xué)成分 單位：w/%Tab.1 Chemical composition of the base metal and welding wire

圖1 HT700T/TG700A焊接接頭示意Fig.1 Schematic diagram of dissimilar welded joint of HT700T/TG700A

表2 焊接工藝參數(shù)Tab.2 The welding process parameters

服役前焊接接頭的硬度值見表3，HT700T、焊縫及TG700A的原始態(tài)硬度分別約為33、380、340 HV。焊接接頭服役前微觀組織如圖2所示。由圖2可見：焊絲熔敷金屬與兩側(cè)母材都為奧氏體（FCC）基體的高溫合金材料；熔敷金屬與兩側(cè)母材成分有明顯差異，僅為半共格關(guān)系，焊縫熔敷金屬未能在熔合線處實現(xiàn)外延式（聯(lián)生）生長，最終在熔合區(qū)形成了II型邊界[18-20]。

圖2 服役前焊接接頭微觀組織Fig.2 Microstructures of the welded joint before service

表3 服役前焊接接頭硬度 單位：HVTab.3 Hardness velue of the welded joint before service

2 實驗結(jié)果與討論

服役1萬h后的焊接接頭微觀組織如圖3所示。由圖3可見：除兩側(cè)母材焊接熱影響區(qū)（HAZ）的晶界碳化物發(fā)生輕微的粗化以外，微觀組織無明顯變化；焊絲熔敷金屬與兩側(cè)母材都為奧氏體基體的高溫合金材料，但成分有明顯差異，僅為半共格關(guān)系，焊縫熔敷金屬未能在熔合線處實現(xiàn)外延式（聯(lián)生）生長，最終在熔合區(qū)形成了II型邊界[18-20]。在熔合線焊縫一側(cè)，焊縫區(qū)枝晶沿著溫度梯度垂直于熔合線方向生長。經(jīng)過1萬h服役后，焊縫枝晶形貌亦無明顯變化，能量色散X射線譜（EDS）分析得出，枝晶間仍為富Mo、Ti元素的一次碳化物。

圖3 服役后焊接接頭微觀組織Fig.3 Microstructures of the welded joint after service

HT700T側(cè)和TG700A側(cè)熔合線兩側(cè)元素分布如圖4、圖5所示。

圖4 HT700T側(cè)熔合線兩側(cè)元素分布Fig.4 Element distribution near the fusion boundary of HT700T

圖5 TG700A側(cè)熔合線兩側(cè)元素分布Fig.5 Element distribution near the fusion boundary of TG700A

由圖4、圖5可見，通過對熔合線兩側(cè)進(jìn)行EDS對比分析可知，焊縫金屬和HAZ的主要合金元素（如Fe、Ni、Co、Cr、Mo）含量在熔合線處的濃度梯度明顯，經(jīng)長時服役后無明顯互擴散現(xiàn)象。說明在服役溫度下，焊接接頭合金元素擴散能力很小，合金元素的穩(wěn)定性保證了組織的穩(wěn)定性。

服役后焊接接頭硬度分布的規(guī)律如圖6所示。

圖6 服役后焊接接頭硬度分布Fig.6 Hardness of the welded joint after service

由圖6可見，兩側(cè)HAZ的硬度明顯低于焊縫，經(jīng)過長時間的服役，HAZ和母材的硬度基本相同，這是由于經(jīng)過焊后時效熱處理，HAZ相鄰的母材區(qū)域發(fā)生了過時效，隨著服役時間的延長，HAZ與母材的沉淀強化均同步發(fā)生粗化，硬度亦隨之趨于一致。

圖7—圖11為焊接接頭中焊縫、HAZ及兩側(cè)母材分別在服役后的內(nèi)壁氧化層形貌及元素面分布圖。分析結(jié)果表明：焊縫內(nèi)壁氧化物富集Al、Cr元素，可以判斷焊縫氧化產(chǎn)物主要由氧化鉻及微量氧化鋁構(gòu)成；HT700T側(cè)熱影響區(qū)及母材表面氧化膜主要有Ti、Cr、Al元素，可以判斷焊縫氧化產(chǎn)物主要由氧化鉻、氧化鋁、氧化鈦構(gòu)成；TG700A側(cè)熱影響區(qū)及母材表面氧化膜主要有Cr、Al元素，可以判斷焊縫氧化產(chǎn)物主要由氧化鉻和氧化鋁構(gòu)成；整個焊接接頭氧化膜下方均存在貧鉻區(qū)，即氧化鉻下方均發(fā)生內(nèi)氧化，貧鉻區(qū)內(nèi)為氧化鋁和/或氧化鈦的內(nèi)氧化層；HAZ與母材的氧化層結(jié)構(gòu)一致且致密，均無尖晶石類氧化物產(chǎn)生；焊接接頭的平均氧化層厚度不大于7 μm。

圖7 HT700T側(cè)母材氧化層Fig.7 The oxide layer of HT700 base metal

圖8 HT700T側(cè)HAZ氧化層Fig.8 The oxide layer of HAZ of HT700 alloy

圖9 TG700A側(cè)母材氧化層Fig.9 The oxide layer of TG700A base metal

圖10 TG700A側(cè)HAZ氧化層Fig.10 The oxide layer of HAZ of TG700A alloy

圖11 焊縫區(qū)氧化層Fig.11 The oxide layer of weld metal zone

3 結(jié) 論

1）經(jīng)1萬h服役后，熱影響區(qū)組織無明顯異常，焊縫中富Mo、Ti的一次碳化物在枝晶間穩(wěn)定存在，且無有害相析出。

2）由于兩側(cè)母材及焊縫（焊材）的成分差異大，故熔合線處未發(fā)生外延式生長；經(jīng)長期服役運行后，熔合線兩側(cè)元素?zé)o明顯互擴散現(xiàn)象，組織穩(wěn)定性良好。

3）經(jīng)1萬h服役后，焊縫硬度明顯高于兩側(cè)母材及HAZ，熱影響區(qū)和母材趨于一致。

4）經(jīng)1萬h服役后，焊接接頭內(nèi)壁蒸汽氧化層主要為致密的氧化鉻，內(nèi)層出現(xiàn)貧鉻區(qū)并發(fā)生內(nèi)氧化，平均氧化層厚度大超過7 μm，屬于完全抗氧化級。