馬新博 田宇 艾迪 王麗艷

(哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150046)

10Cr9Mo1VNbN鋼是我國科研工作者在國外耐熱鋼T91的基礎(chǔ)上自主研發(fā)的鋼種[1]。它的強(qiáng)化機(jī)理為析出強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、位錯強(qiáng)化和碳化物穩(wěn)定下的亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化，所以其在高溫條件下具有較好的抗氧化性、抗腐蝕性、熱穩(wěn)定性和抗蠕變性能，因此廣泛應(yīng)用在超臨界、超超臨界機(jī)組部件上[2]。對于某些特殊部件，存在與其它鋼種的異種鋼焊接情況來滿足實(shí)際需求[3]。大量的工程實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)室結(jié)果表明，由于異種材質(zhì)接頭在高溫條件下發(fā)生碳遷移[4]，導(dǎo)致出現(xiàn)過早失效現(xiàn)象，致使異種鋼焊接的服役壽命遠(yuǎn)低于其設(shè)計(jì)壽命，清華大學(xué)李克儉[5]等人在對鎳基焊縫金屬連接新型高Cr馬氏體耐熱鋼和鎳基合金的研究中，對異種鋼焊接失效機(jī)理進(jìn)行了深入研究，結(jié)果表明應(yīng)力水平在140～260 MPa范圍內(nèi)，溫度為600℃和620℃時，斷裂位置隨應(yīng)力水平的改變發(fā)生轉(zhuǎn)移。本文從三個方面研究R407焊材填充10Cr9Mo1VNbN和ZG15Cr2Mo1異種鋼焊接接頭的性能，研究內(nèi)容主要包括不同熱處理工藝對殘余應(yīng)力分布情況、微觀組織特征和微觀力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)材料和方法

該異種鋼焊接試板的兩側(cè)母材分別為10Cr9Mo1VNbN和ZG15Cr2Mo1，焊材為R407。兩側(cè)母材的尺寸為400 mm×200 mm×40 mm，采用氬弧焊打底，電弧焊填充的方式進(jìn)行焊接，如圖1所示。

圖1 焊板結(jié)構(gòu)示意圖

焊后采用的熱處理工藝是以2℃/s的升溫速率，分別加熱到740℃保溫6 h、740℃保溫4 h、690℃保溫4 h和665℃保溫3 h，然后爐冷降溫。以此來研究熱處理工藝的溫度和保溫時間的變化對異種鋼焊接接頭殘余應(yīng)力、微觀組織和力學(xué)性能的影響。

使用X射線法對異種鋼焊接接頭焊后及熱處理后的熔合線和距熔合線不同距離的位置進(jìn)行殘余應(yīng)力測試，得到異種鋼焊接接頭近表層的殘余應(yīng)力分布特征。所用設(shè)備為Proto-iXRD的X射線應(yīng)力儀，使用Cr型靶材，靶材電壓18 kV，電流4 mA。由于焊接接頭熔合線及其相近位置應(yīng)力分布十分復(fù)雜，因此相比于盲孔法應(yīng)力測試技術(shù)，使用X射線法可以得到更為精確的結(jié)果。盲孔法應(yīng)力測試是通過應(yīng)變片測試鉆孔后的應(yīng)變釋放情況，來計(jì)算應(yīng)變片內(nèi)應(yīng)變柵尺寸范圍內(nèi)在0～2 mm深度內(nèi)的平均應(yīng)力，無法得到較小尺度位置的精確應(yīng)力結(jié)果，測試精度受鉆孔精度和實(shí)際應(yīng)力大小影響，而X射線法可以選擇小尺寸的光斑，縮小測試的范圍，進(jìn)而得到在某一平面狀態(tài)下一點(diǎn)位置的應(yīng)力結(jié)果，得到的測試結(jié)果更為精確。因此X射線法更適合對復(fù)雜應(yīng)力分布情況進(jìn)行測試。但是由于X射線法只能通過電解拋光的方式，得到沿一定層深的應(yīng)力分布情況，并且測試精度受限于材料晶粒大小、各向異性的影響，仍具有一定的局限性。

采用Axiovert 40 MAT型光學(xué)顯微鏡，觀察異種鋼焊接接頭在焊后和熱處理后的微觀組織特征及異種鋼焊接接頭經(jīng)不同熱處理工藝處理后的碳遷移情況，使用HB3000型硬度計(jì)對異種鋼焊接接頭進(jìn)行顯微維氏硬度測試，載荷為300 g，時間15 s，并得到異種鋼焊接接頭的硬度分布特征云圖。使用SUPRA 55高能場發(fā)射掃描電子顯微鏡對異種焊接接頭進(jìn)行能譜分析，研究不同熱處理工藝對Cr元素遷移的影響，間接評價異種鋼焊接接頭在高溫下的碳遷移情況。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 殘余應(yīng)力分布情況

殘余應(yīng)力的測試分別在焊接試板的正面和反面進(jìn)行，在焊接試板兩個面上選取相同的測試點(diǎn)數(shù)和位置，詳細(xì)情況如圖2所示。在焊接試板正面取焊縫長度中心位置的垂直線，選擇12點(diǎn)測試位置，圖2中1至12點(diǎn)分別為10Cr9Mo1VNbN側(cè)和ZG15Cr2Mo1側(cè)的熔合線及距熔合線1 mm、2 mm、3 mm、5 mm、7 mm的點(diǎn)，測試方向分別為垂直焊縫方向和焊縫方向。

圖2 應(yīng)力測試位置示意圖

圖3為焊后狀態(tài)焊接接頭處的殘余應(yīng)力分布特征曲線，其中圖3(a)和圖3(b)分別為焊板正面和反面的殘余應(yīng)力分布特征曲線。

(a)焊板正面

如圖3(a)所示。首先，從焊接試板兩側(cè)不同材質(zhì)的角度來分析。

在10Cr9Mo1VNbN側(cè)的應(yīng)力分布較為復(fù)雜，焊縫方向和垂直焊縫方向的應(yīng)力變化特征完全相反，焊縫方向應(yīng)力從熔合線至距熔合線7 mm的分布特征是先由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)樽畲罄瓚?yīng)力，然后再降低，在熔合線處存在最大壓應(yīng)力-61.50 MPa，在距熔合線3 mm處存在最大拉應(yīng)力291.85 MPa。垂直焊縫方向應(yīng)力從熔合線至距熔合線7 mm的分布特征是先由最大拉應(yīng)力296.17 MPa降低至最小拉應(yīng)力100.70 MPa，然后繼續(xù)升高。

在ZG15Cr2Mo1側(cè)的應(yīng)力分布較為簡單，兩個方向的應(yīng)力變化趨勢較為相同。焊縫方向應(yīng)力從熔合線至距熔合線7 mm的分布特征是先由最小拉應(yīng)力升高至最大拉應(yīng)力，然后降低，在熔合線處存在最小拉應(yīng)力39.22 MPa，在距熔合線5 mm處存在最大拉應(yīng)力317.00 MPa，垂直焊縫方向應(yīng)力從熔合線至距熔合線7 mm的分布特征是先由最大壓應(yīng)力向最大拉應(yīng)力的持續(xù)轉(zhuǎn)變，在熔合線處存在最大壓應(yīng)力-239.61 MPa，在距熔合線7 mm處存在最大拉應(yīng)力143.40 MPa。

然后，從焊接試板不同應(yīng)力方向的角度來分析。焊縫方向應(yīng)力在整體的分布特征是以焊縫為中心線呈鏡像對稱分布，在靠近焊縫的熔合線位置，存在最小應(yīng)力值，應(yīng)力隨距熔合線距離的增加，先增高至最大拉應(yīng)力，然后降低。垂直焊縫方向應(yīng)力在整體的分布特征呈分段式對稱分布，在熔合線至距熔合線2 mm段，呈焊縫中心點(diǎn)對稱分布，10Cr9Mo1VNbN側(cè)在熔合線處存在最大拉應(yīng)力，應(yīng)力隨距熔合線的距離增大而降低，ZG15Cr2Mo1側(cè)在熔合線處存在最大壓應(yīng)力，應(yīng)力隨焊縫距離增大由壓應(yīng)力向拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變。在距熔合線2～7 mm段，應(yīng)力分布是以焊縫為中心線呈鏡像對稱分布，焊縫兩側(cè)應(yīng)力隨距熔合線的距離增大而增大。

如圖3(b)所示。首先，從焊接試板兩側(cè)不同材質(zhì)的角度來分析。10Cr9Mo1VNbN側(cè)和ZG15Cr2Mo1側(cè)的應(yīng)力分布特征較為相似，兩側(cè)的應(yīng)力分布特征以焊縫為中心線呈鏡像對稱分布。

在10Cr9Mo1VNbN側(cè)焊縫方向和垂直焊縫方向的應(yīng)力變化特征相似，焊縫方向應(yīng)力在熔合線至距熔合線2 mm段保持較高的拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為565.75 MPa，然后在距熔合線5 mm處降低至247.12 MPa，隨后繼續(xù)升高。垂直焊縫方向應(yīng)力具有類似的分布特征，在熔合線至距熔合線2 mm段的分布特征先是保持非常高的拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為817.22 MPa，然后在距熔合線3 mm處急劇降低至336.57 MPa，在距熔合線3～7 mm段持續(xù)升高。

在ZG15Cr2Mo1側(cè)的應(yīng)力分布特征同10Cr9Mo1VNbN側(cè)相似，兩個方向的應(yīng)力變化趨勢較為相同，但垂直焊縫方向應(yīng)力波動更大。焊縫方向應(yīng)力在熔合線至距熔合線1 mm段具有較大拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為481.12 MPa，然后在距熔合線1～5 mm段持續(xù)降低，最小拉應(yīng)力為315.65 MPa。垂直焊縫方向應(yīng)力從熔合線至距熔合線7 mm的分布特征是先由最小拉應(yīng)力急速升高至最大拉應(yīng)力，然后降低，在熔合線處存在最小拉應(yīng)力291.86 MPa，在距熔合線1 mm處存在最大拉應(yīng)力652.08 MPa。

然后，從焊接試板不同應(yīng)力方向的角度分析。焊縫方向應(yīng)力和垂直焊縫方向應(yīng)力在整體的分布特征為以焊縫為中心線呈鏡像對稱分布。焊縫方向應(yīng)力在熔合線至距熔合線2 mm段處于較大拉應(yīng)力狀態(tài)分布，存在最大拉應(yīng)力值，然后應(yīng)力隨距熔合線距離的增大而逐漸降低。垂直焊縫方向應(yīng)力的分布存在非常大的數(shù)值波動，在10Cr9Mo1VNbN側(cè)距熔合線2～3 mm范圍內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力顯著降低情況，差值約為398.54 MPa，隨后應(yīng)力在距熔合線3～7 mm范圍內(nèi)逐漸升高，ZG15Cr2Mo1側(cè)在熔合線和距熔合線1 mm范圍內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力顯著升高情況，差值約為360.22 MPa，在距熔合線1～7 mm范圍內(nèi)逐漸降低。

由于焊板反面在焊后狀態(tài)垂直焊縫方向在焊縫兩側(cè)距熔合線1 mm處存在最大拉應(yīng)力，因此在熱處理后，選擇焊板反面焊縫兩側(cè)距熔合線1 mm處進(jìn)行殘余應(yīng)力測試，比較不同熱處理工藝對殘余應(yīng)力的影響，測試結(jié)果如圖4所示。其中圖4(a)和圖4(b)分別為焊板反面10Cr9Mo1VNbN側(cè)和ZG15Cr2Mo1側(cè)距熔合線1 mm處的殘余應(yīng)力變化曲線。由圖可知，熱處理溫度在690～740℃時，殘余應(yīng)力的降低效果較明顯，且受熱處理溫度的影響不大，熱處理溫度為665℃時，殘余應(yīng)力的降低效果相比較小。

(a)10Cr9Mo1VNbN

2.2 焊接接頭顯微組織特征

圖5為焊后和不同熱處理工藝后10Cr9Mo1VNbN側(cè)熔合線區(qū)域的微觀組織特征，圖中左側(cè)為10Cr9Mo1VNbN，右側(cè)為焊縫R407。由于焊材R407和10Cr9Mo1VNbN屬于異種材質(zhì)，因此在二者的熔合線和熱影響區(qū)存在異種鋼焊接的微觀特征。

(a)焊后未熱處理 (b)740℃×6 h熱處理后 (c)740℃×4 h熱處理后 (d)690℃×4h熱處理后 (e)665℃×3h熱處理后

可以清晰的看到，焊后未熱處理狀態(tài)的異種鋼焊接接頭，10Cr9Mo1VNbN和R407的微觀組織具有很大的差異性，但是不存在明顯的富碳區(qū)和脫碳區(qū)。經(jīng)665℃×3 h熱處理后，異種材質(zhì)間出現(xiàn)明顯的邊界，在高Cr的10Cr9Mo1VNbN側(cè)存在狹窄富碳區(qū)，但是在低Cr的R407側(cè)并未觀察到明顯的脫碳區(qū)。隨著熱處理溫度的升高，在高Cr的10Cr9Mo1VNbN側(cè)富碳區(qū)變寬，在低Cr的R407側(cè)出現(xiàn)明顯的脫碳區(qū)，并且可以看到脫碳區(qū)內(nèi)的析出相所占比例低于焊縫其它區(qū)域，這種富碳區(qū)和脫碳區(qū)的特征隨著熱處理的溫度升高和時間延長變得更加明顯。

使用掃描電鏡的能譜儀對異種焊接接頭10Cr9MoVNbN側(cè)的熔合線區(qū)域進(jìn)行元素分析，對比Cr元素濃度的變化特征，見圖6。截取部分線掃描能譜數(shù)據(jù)，可以看出，經(jīng)熱處理后Cr元素的分布在熔合線附近發(fā)生變化，熱處理溫度越高，時間越長，Cr的濃度梯度變得越平緩。焊后未熱處理狀態(tài)，Cr元素的濃度變化梯度很大且長度很短，在焊接過程中低Cr區(qū)的碳化物分解較少，Cr元素遷移量很低，在高Cr區(qū)沒有形成大量含Cr的碳化物，所以沒有出現(xiàn)明顯的富碳區(qū)和貧碳區(qū)。在熱處理過程中，Cr原子由高Cr區(qū)向低Cr區(qū)遷移，同時低Cr區(qū)的碳化物發(fā)生分解，分解出來的碳原子向高Cr區(qū)擴(kuò)散，并形成大量Cr的碳化物，因此形成了貧碳區(qū)和富碳區(qū)。

圖6 Cr元素濃度分布變化

2.3 焊接接頭顯微力學(xué)性能

Pandey[6]等人研究了不同熱處理工藝對10Cr9MoVNbN綜合力學(xué)性能的影響，如圖7所示。結(jié)果表明，10Cr9MoVNbN的維氏硬度、屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，經(jīng)不同工藝熱處理后呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律。

AR—1040℃奧氏體化空冷，然后760℃回火；

對比不同熱處理狀態(tài)10Cr9MoVNbN的力學(xué)性能，可以看出，維氏硬度和屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度的變化趨勢相同。10Cr9MoVNbN的淬火性較好，空冷的條件下可以得到馬氏體組織，得到非常高的硬度和強(qiáng)度。AC工藝(1040℃奧氏體化空冷，然后760℃回火)下得到力學(xué)性能如下：維氏硬度值為460HV、屈服強(qiáng)度為900 MPa、抗拉強(qiáng)度為1364 MPa[6]。

圖8為焊接接頭不同狀態(tài)下的維氏硬度云圖，其中每幅焊接接頭應(yīng)力云圖的左側(cè)為ZG15Cr2Mo1，右側(cè)為10Cr9MoVNbN，中間焊縫為R407。由圖可知，焊后未熱處理狀態(tài)的異種鋼焊接接頭的應(yīng)力分布特征呈焊縫中心線對稱分布，在焊縫兩側(cè)熔合線附近存在高于400HV以上的硬度值，硬度值隨距熔合線距離的增大而降低，焊縫區(qū)域的硬度值要高于基體。經(jīng)熱處理后，左側(cè)ZG15Cr2Mo1及焊縫區(qū)域硬度值下降的更顯著，右側(cè)10Cr9MoVNbN在熔合線附近的硬度仍要高于其它區(qū)域，隨著熱處理溫度和時間的增加，硬度降低的情況更加明顯。

圖8 異種鋼焊接接頭的維氏硬度分布云圖

3 結(jié)論

(1)異種焊接接頭在焊后具有非常復(fù)雜的殘余應(yīng)力分布特征。焊后未熱處理狀態(tài)，對于焊板的正面，焊縫方向的應(yīng)力在兩側(cè)基體具有相同的變化趨勢，垂直焊縫方向具有相反的變化趨勢。焊板反面，兩側(cè)的應(yīng)力分布特征具有相同變化趨勢，在焊板反面存在非常大的拉應(yīng)力，在10Cr9Mo1VNbN側(cè)的最大拉應(yīng)力為817.22 MPa，在ZG15Cr2Mo1側(cè)最大拉應(yīng)力為652.08 MPa。經(jīng)熱處理后，殘余應(yīng)力顯著降低。

(2)異種焊接接頭在經(jīng)過熱處理后，10Cr9Mo1VNbN側(cè)熔合線處存在碳遷移現(xiàn)象，出現(xiàn)了明顯的富碳區(qū)和脫碳區(qū)，且隨熱處理溫度和保溫時間升高更加明顯。

(3)異種焊接接頭在經(jīng)過熱處理后，存在明顯的Cr元素遷移現(xiàn)象，隨著溫度和時間的增加，Cr元素遷移現(xiàn)象越明顯，Cr元素濃度分布情況變得越平緩。

(4)10Cr9MoVNbN不同熱處理狀態(tài)的硬度和屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度具有相同的變化規(guī)律，可以用于評價異種焊接接頭10Cr9MoVNbN側(cè)的力學(xué)性能。

(5)對比焊后及熱處理后的維氏硬度分布情況，可以直觀的看到硬度分布特征和變化特征，硬度云圖用于評價異種焊接接頭具有可行性。