新型奥氏体耐热钢HR3C焊接工艺及接头性能研究进展

新型奥氏体耐热钢HR3C焊接工艺及接头性能研究进展

熊涛

（中国电建集团重庆工程有限公司，重庆市南岸区金子村101号，400060）

【摘　要】新型奥氏体耐热钢 HR3C 研发的焊材有配套焊材 YT-HR3C 和替代 Ni 基焊材，在焊接过程中为避免产生热裂纹，就要对焊接工艺进行严格控制，重点是将层间温度控制到100℃以下。在不同温度下，如果焊接接头的焊缝组织未随着时间进行而发生变化，为单一奥氏体组织（γ相），而析出相Cr23C6、CrFe7C0.45、（Cr，Fe）7C3、CrNbN和富Cu相的数量、形态和分布则会发生变化，特别是Cr23C6的大量析出，将会使得接头冲击功急剧下降，并同时表现出时效脆化现象。本文针对HR3C的焊材、焊接工艺和焊接接头性能的研究进展进行综述，希冀能为实践提供一定参考。

【关键词】焊接工艺；新型奥氏体耐热钢；接头性能

新型奥氏体耐热钢是基体为奥氏体组织的耐热钢，其成分中含有较多的镍、锰、氮等奥氏体形成元素，在600℃以上有较好的高温强度和组织稳定性，而且具有良好的焊接性能，是在600～1200℃应用最广的一类耐热钢。近年来，随着火电机组对于高效率、清洁环保的要求，火电超超临界机组的参数要求也不断提高。锅炉高温过热器和再热器所处的温度最高，环境非常复杂，需要所用的材料具有良好的高温蠕变性能、抗烟气腐蚀性、抗蒸汽氧化性等。建设国产1 000 MW机组时，在锅炉的高温过热器和再热器受热面管中，新型奥氏体耐热钢HR3C应用比较广泛。HR3C是由日本住友公司在TP310的基础上，通过复合添加Nb、N元素，严格控制C含量，利用析出细小、弥散分布的MX、CrNbN以及M23C6三种相进行复合强化，最终得到一种新型奥氏体耐热钢，其具有优良的抗蒸汽氧化性能、高温力学性能、抗高温腐蚀性能。该种新型奥氏体耐热钢主要应用于620℃超超临界机组锅炉高温过热器和高温再热器。现在，学界关于HR3C材料的研究，大多集中在其析出相变化引起的时效脆化问题，而对于该材料的焊接工艺和焊接性能研究相对较少。本文拟从此维度进行综述。

一、HR3C焊材研究进展

HR3C是25Cr-20Ni-Nb-N钢，有较高的合金元素含量。依据根据国际焊接学会推荐的碳当量计算公式CE={w（C）+w（Mn）/6+[w（Cr）+w（Mo）+w（V）]/5+[w（Ni）+w（Cu）]/15}×100%进行计算，可以发现HR3C的碳当量CE＞0.6%，这说明其焊接性较差，容易存在焊接缺陷，但如果严格控制焊接工艺，将能有效避免这些缺陷。而且，HR3C因裂纹敏感性高于其他奥氏体耐热钢，焊接过程中，还会出现热裂纹、焊接接头的时效脆化、应力腐蚀开裂和σ相脆化等缺陷。控制热裂纹，就需开发杂质含量较低的焊材，同时还要选择合适的电流、电压、焊接速度和控制层间温度等。根据焊材选择的一般原则，HR3C匹配的焊接材料为YT-HR3C焊丝，因其进口数量少，价钱贵，难购买等原因，目前已经研究开发出的替代Ni基焊丝，例如 ERNiCrCoMo-1、ERNiCr-3和ERNiCrMo-3等，结合实践，推荐使用ERNiCrMo-3和ERNiCrCoMo-1焊材。

二、HR3C焊接工艺研究进展

HR3C匹配不同焊材的焊接工艺参数，见表1所示。在具体焊接过程中，要严格按照焊接工艺进行操作。焊前需要进行提前模拟练习，严格检查坡口，并确保其清理干净，如果有必要，可使用丙酮对坡口进行清涤。焊接时气体保护，应当选择纯度≥99.99%的氩气，焊接管子时，内部要进行充氩保护，避免焊接接头发生氧化；使用Ni基焊材焊接时，因其合金熔液的流动性相对来说比较差，焊接时可适当增加焊接电流，这样可使焊池中合金熔液保持良好的流动性，但增加电流不利于控制焊接线能量，故采取大电流多层窄道（无摆动）快速焊接，将焊接线能量尽可能地减小。同时，层间温度要进行严格控制，保持在100℃下，并配备红外线测温枪来对层间温度进行密切监测，每层焊材填充厚度控制在3 mm范围内，这样可以减少焊缝的热输入量，防止出现热裂纹的情况。因手工钨极氩弧焊（GTAW）的焊接热输入较低，其能将层间温度控制在较低水平，因而能有效满足HR3C钢的焊接工艺要求，在焊接中，手工钨极氩弧焊的应用也比较多。

表1  HR3C 匹配不同焊材的焊接工艺参数

三、HR3C焊接接头性能研究进展

利用不同焊材焊接的HR3C接头力学性能评定结果，见表2。我国超超临界机组起步较晚，相应地HR3C使用也是比较晚的，尽管关于HR3C母材时效脆化问题逐渐引起重视，但关于焊接接头的服役性能研究目前数量还比较少。张文忠研究了焊材为YT-HR3C的焊接接头性能，发现基体组织为单一的奥氏体组织，焊缝组织为典型的胞状或脓胞状树枝晶，焊缝组织中的析出相数量多，形态较大，多沿胞状晶界呈断续分布或短条状分布，细小的颗粒状析出物较少，强化效果不如基体，在这种情况下，焊缝的强度、硬度值和冲击值均低于母材和热影响区，晶界上大量Cr23C6相的析出降低了焊缝的冲击韧性，同时增加了晶界的沿晶腐蚀性。

表2  HR3C 利用不同焊材焊接后焊接接头的力学性能

张忠文等研究了焊材为YT-HR3C的焊接接头在650℃下不同时效时间后，有关接头的组织、析出相和力学性能等，发现HR3C接头经时效后，焊缝组织未发生明显变化，仍为树枝状、胞状单一奥氏体相（γ相），析出相的种类与焊态基本一致，然而析出相的数量、分布和形态随着时效时间的增长发生了明显变化。650℃时效100 h后，M23C6优先在γ晶界和焊缝胞状枝晶界上析出，形态为条状和细小颗粒状，冲击功降幅达70%；650℃时效300 h后，M23C6逐渐增多，原有M23C6长大并沿晶界连续分布，冲击功降低到最低值；650℃时效500 h后，晶界周围和晶内也析出M23C6，其他相有少量析出，尺寸相对较小，冲击功降低到最低值后保持稳定；650℃时效7 000 h后，沿晶界连续析出串珠状M23C6，晶内析出较大的球状、块状M23C6，晶界附近有少量的块状G相和σ相，焊缝基体中弥散分布细小球状或短棒状Z相，冲击功在时效1 000 h后由120 J降低到13 J，随后基本保持稳定，随时效时间的增长，抗拉强度和硬度均先增大、随后略微减小后保持稳定不变。张学鹏等研究了焊材为ERNiCr-3的焊接接头700℃的时效问题，认为随着时效的进行，金相组织未发生变化，为树枝状、胞状单一奥氏体相（γ相）。时效300 h后，枝晶偏析处有少量颗粒状化合物，柱状晶晶界处有细小不连续的化合物析出，时效10 000 h后，枝晶可见保持一定位向的针状析出物，焊缝和热影响区的冲击功均随着时效时间的增加而降低，超过3 000 h后，焊缝的冲击功稳定在100 J，超过1 000 h，热影响区冲击低于31 J，时效后接头拉伸结果合格，且母材抗拉强度值均高于焊缝，3 000 h后，弯曲试验合格；10 000 h后弯曲试验发生脆断，3 000 h以内时效时间，母材、焊缝和热影响区的硬度变化不大，10 000 h后其硬度均有所提高，且母材和热影响区的硬度明显高于焊缝。张忠文研究了HR3C 焊接接头在700 ℃下的蠕变性能，认为接头在 700 ℃下进行高温持久，焊缝胞状树枝晶内针状析出相布满整个组织，粗大的析出相 M23C6沿奥氏体晶界连续分布，容易形成蠕变裂纹，引起沿晶开裂，同时随着晶内析出 M23C6以及其形态的长大，加速了蠕变裂纹的扩展，导致焊缝均呈脆性断裂状态，断裂处均位于焊缝处。杜宝帅采用实验方式，研究了605℃下服役4.2万h的HR3C焊接接头性能，接头运行4.2万h后，组织同样未发生变化，为树枝状、胞状γ相，焊缝树枝状和胞状晶界上析出大量条状和块状M23C6相，晶粒内部析出小尺寸M23C6相，接头发生明显的时效脆化，接头塑韧性显著降低。李新梅分析了焊材为YT-HR3C的焊接接头的应力腐蚀行为，发现HR3C焊接接头与在空气中相比，其在NaCl溶液中的应力腐蚀敏感性显著增大，溶液中的Cl-对接头的应力腐蚀敏感性有较大影响，HR3C接头在弱酸和弱碱的NaCl溶液中都有一定的抗应力腐蚀性，在酸性介质中接头应力腐蚀敏感性稍大，且无论是在NaCl的酸性还是碱性溶液中，随着NaCl浓度的增加，接头的应力腐蚀敏感性呈增大趋势。

四、结论

综上所述，目前研发出的HR3C焊接材料有配套YT-HR3C和替代Ni基焊材（ERCrNi-3、ERNiCrMo-3和ERNiCrCoMo-1），焊接后接头力学性均能符合标准要求，能满足工程实际需要。在焊接过程中要严格按照针对HR3C不同焊材开发出的相应焊接工艺执行，最关键的是控制焊接过程中的层间温度小于等于100℃，以防止焊接过程中产生热裂纹。HR3C焊接接头由于M23C6相的大量析出，同样有时效脆化现象，随着服役时间的增长，接头的冲击功下降显著，因此对于不同焊接接头的组织、析出相和力学性能的变化规律仍需进一步深入研究，进而能提出防止焊接接头发生时效脆化的方法和措施。

【参考文献】

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