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主要研究固溶處理對新型奧氏體不銹鋼(ASME CODE CASE 2328－1)焊接接頭性能的影響。采用光學(xué)顯微鏡觀察和分析了焊縫的顯微組織；采用拉伸試驗(yàn)機(jī)、彎曲試驗(yàn)機(jī)測試了焊接接頭的機(jī)械性能。結(jié)果表明：經(jīng)過固溶處理后，硬度下降，常溫抗拉強(qiáng)度提高，高溫抗拉強(qiáng)度下降，抗腐蝕能力明顯增強(qiáng)。

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，到2020年全國裝機(jī)容量將達(dá)到9．5億kW，其中火電裝機(jī)容量占70％以上。為了提高火力發(fā)電機(jī)組效率，鍋爐的運(yùn)行溫度和壓力將顯著提高。為此，改善鍋爐用鋼及其焊接接頭的性能成為大型電站鍋爐制造業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

超超臨界(USC)鍋爐受熱面中的高溫過熱器、再熱器部件長期處于高溫高壓水蒸汽氧化、高溫?zé)煔庵忻悍垲w粒腐蝕的環(huán)境中，所用鋼材在滿足持久強(qiáng)度、蠕變強(qiáng)度要求的同時(shí)，還要滿足管子外壁抗煙氣腐蝕、抗飛灰沖蝕以及管子內(nèi)壁抗蒸汽氧化等性能。

針對高參數(shù)、大容量電站鍋爐的使用要求而最新開發(fā)的新型奧氏體不銹鋼ASME CODE CASE2328－1是日本住友金屬工業(yè)株式會社研制開發(fā)的新型奧氏體不銹鋼管，該不銹鋼管不僅具有優(yōu)良的抗高溫腐蝕性，而且抗高溫蠕變強(qiáng)度較普通的奧氏體不銹鋼也顯著提高，持久斷裂性能更加穩(wěn)定。

1試驗(yàn)材料和方法

ASME CODE CASE 2328－1(0．1C－18Cr－9Ni－3Cu－Nb－N)奧氏體不銹鋼管是在ASME SA－213TP304H的基礎(chǔ)上加入適量阻止奧氏體晶粒長大的Cu、Nb、N等微量元素，使其具有較細(xì)的晶粒尺寸，從而達(dá)到高溫強(qiáng)度、長期塑性和抗腐蝕性能的最佳組合，其許用應(yīng)力值比SA－213TP347H提高約20％，這種優(yōu)良的蠕變斷裂強(qiáng)度是通過細(xì)小的富銅相在奧氏體基體上的沉淀強(qiáng)化而獲得的。該鋼具有與細(xì)晶粒TP347HFG同樣優(yōu)良的耐蒸汽腐蝕性能。由于ASME CODE CASE 2328－1不含有Mo，W等昂貴的化學(xué)元素，因此其使用經(jīng)濟(jì)性要優(yōu)于18－8鋼系列中的TP347H、TP321H。

這種不銹鋼管在實(shí)際應(yīng)用中，焊接接頭存在兩種使用狀態(tài)，一種是在焊接狀態(tài)下直接使用，一種是焊接接頭經(jīng)過固溶處理后使用。為了研究固溶處理對焊接接頭組織和性能的影響，本研究對常溫和高溫兩種狀態(tài)下焊接接頭的力學(xué)性能、金相組織、硬度、塑性、耐蝕性能進(jìn)行了系統(tǒng)比較。

試驗(yàn)采用不銹鋼管的規(guī)格為φ54 mm×14 mm，化學(xué)成分如表1所示，力學(xué)性能如表2所示；焊接接頭采用的填充金屬為ERNiCr－3(ASME標(biāo)準(zhǔn)號)，化學(xué)成分如表3所示。

焊接接頭的坡口形式為V型，角度75°。試驗(yàn)采用熱絲TIG焊，工藝參數(shù)如表4所示。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2．1焊接接頭的微觀組織

本試驗(yàn)中使用AXIOVERT 200 MAT顯微鏡(CCD圖像采集系統(tǒng))進(jìn)行金相組織觀察，圖1顯示的是兩種狀態(tài)下焊接接頭(包括焊縫、熱影響區(qū)、母材)組織的金相照片。由圖1可以看出，焊縫組織致密，未見氣孔、裂紋、夾渣等缺陷。熱影響區(qū)非常狹窄，這主要是因?yàn)樵诤附舆^程中采用水冷裝置對焊接接頭噴水冷卻，嚴(yán)格控制了層間溫度，加速了焊接接頭的冷卻速度，縮短了焊縫在高溫區(qū)停留時(shí)間，同時(shí)也避免了焊接接頭因敏化而導(dǎo)致抗晶間腐蝕能力下降，保證了焊縫的使用性能。

兩種狀態(tài)下母材的組織均為奧氏體，焊縫和熱影響區(qū)的組織為奧氏體＋鐵素體，從微觀組織上分析，固溶處理對焊接接頭微觀組織的影響很小。從金相照片上可以看出，固溶處理對焊接接頭組織的影響不是很大，母材和熱影響區(qū)組織為奧氏體，焊縫組織為奧氏體和鐵素體，母材晶粒細(xì)小，熱影響區(qū)晶粒受到熱循環(huán)影響，晶粒過熱粗化長大而發(fā)生多邊形擠壓塑性變形，有的晶粒被拉長，成為不規(guī)則的多邊形。

2．2焊接接頭硬度分析

試驗(yàn)采用HBRVU－187．5布洛維光學(xué)硬度計(jì)進(jìn)行硬度測量。兩種狀態(tài)下焊接接頭不同位置的維氏硬度分布曲線如圖2所示。

從圖2可以明顯看出，焊態(tài)下焊縫的硬度與母材和熱影響區(qū)的硬度相比略有降低，經(jīng)過固溶處理后，母材的硬度略有降低，而熱影響區(qū)顯微硬度有了很大的下降，這主要是因?yàn)榻?jīng)過固溶處理后，熱影響區(qū)的奧氏體組織得到了充分的恢復(fù)，晶粒間的碳化物或者其他化合物固溶于奧氏體中，使熱影響區(qū)的韌性提高，硬度下降。焊縫區(qū)的硬度經(jīng)過固溶處理后下降最為明顯，因?yàn)楹附咏宇^采用的填充材料是ERNiCr－3，屬于鎳基合金，焊縫區(qū)的組織為奧氏體＋鐵素體，經(jīng)過固溶處理后，焊縫中的一部分碳元素以化合物的形式固溶于奧氏體晶格中，導(dǎo)致焊縫中的鐵素體含量大大減少，因此硬度降低。

2．3常溫性能分析

焊接接頭的常溫力學(xué)性能按照《蒸汽鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》和ASME的室溫拉伸試驗(yàn)方法測定，在AG－10TA萬能試驗(yàn)拉伸機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，兩種狀態(tài)的焊接接頭的測試結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，試樣均斷于母材。

焊態(tài)和固溶處理后焊接接頭的抗拉強(qiáng)度如圖3所示，兩種焊接接頭的常溫抗拉強(qiáng)度均高于母材要求的最低值，試驗(yàn)結(jié)果合格。從圖3中可看出，經(jīng)固溶處理后，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度有了明顯的提高，這主要是因?yàn)榻?jīng)過固溶處理后，焊縫和熱影響區(qū)的組織更加均勻，焊縫中鐵素體數(shù)量減少，奧氏體數(shù)量增加，固溶處理減少了晶間碳化物和其他化合物的存在，因此抗拉強(qiáng)度有所提高。

2．4高溫性能分析

由于這種新型奧氏體不銹鋼主要用于超超臨界的過熱器、再熱器等高溫部件中，因此本研究中對焊接接頭的高溫性能進(jìn)行了試驗(yàn)。根據(jù)這種材料在鍋爐中的使用溫度，確定了在620℃、650℃、700℃三個(gè)溫度下進(jìn)行高溫短時(shí)拉伸試驗(yàn)，測試焊縫和母材在高溫下的抗拉強(qiáng)度和屈服極限。

試樣按照GB／T4338－1995加工M12－6h圓形拉力棒，以焊接接頭一側(cè)熱影響區(qū)為中心，如圖4所示。

從圖5可以看出，拉伸試樣頸縮和斷裂位置均發(fā)生在母材區(qū)域，說明這種新型奧氏體不銹鋼焊接接頭的高溫強(qiáng)度高于母材，因?yàn)楹附咏宇^采用鎳基焊材作為填充金屬，而鎳基合金的典型特征就是具有優(yōu)良的高溫力學(xué)性能。

從圖6可以看出，ASME CODE CASE 2328－1焊接接頭高溫短時(shí)抗拉強(qiáng)度、屈服極限均隨試驗(yàn)溫度的升高而降低。由屈服極限和抗拉強(qiáng)度的對比結(jié)果可以看出，經(jīng)過固溶處理后，抗拉強(qiáng)度和屈服極限均有所降低，但是強(qiáng)度值的變化不大。

2．5抗腐蝕能力分析

對于材料的晶間腐蝕性能，通過對焊態(tài)接頭和經(jīng)過固溶處理后的焊接接頭按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T4334．5－2000采用H 2 SO 4－CuSO 4溶液腐蝕后，再通過彎曲試驗(yàn)來分析固溶處理對材料抗腐蝕能力的影響。圖7是經(jīng)過晶間腐蝕后進(jìn)行彎曲試驗(yàn)試樣的照片，通過對彎曲試樣彎曲部位的分析可知，經(jīng)過固溶處理后，熱影響區(qū)的抗晶間腐蝕能力有了明顯的提高。

引起奧氏體不銹鋼焊縫和熱影響區(qū)抗腐蝕能力降低的主要原因是鐵素體含量和晶間貧鉻，焊縫和熱影響區(qū)的鐵素體含量過高和鉻含量減少，都會降低奧氏體不銹鋼的抗腐蝕能力，經(jīng)過固溶處理后，熱影響區(qū)中晶間的碳化物和其他化合物已經(jīng)固溶于奧氏體晶格中，晶間的碳化物和其他化合物的含量大大減少，因此熱影響區(qū)的抗腐蝕能力增強(qiáng)。

3結(jié)論

通過金相分析、力學(xué)性能和腐蝕試驗(yàn)研究了焊接接頭的顯微組織、力學(xué)性能和抗腐蝕能力。結(jié)果表明：固溶處理對組織的影響不是很大，母材與熱影響區(qū)的顯微組織均為奧氏體，焊縫的顯微組織為奧氏體＋鐵素體，經(jīng)過固溶處理后，焊縫、母材、熱影響區(qū)的硬度均有所下降，常溫抗拉強(qiáng)度提高，高溫拉伸性能降低，抗腐蝕能力增強(qiáng)。