VM12耐热钢焊接接头力学性能和微观组织的研究

陈肇宇1，刁旺战，王 萍

(1.哈尔滨工业大学 大科学工程专项建设指挥部暨空间基础科学研究中心，哈尔滨 150006；2.高效清洁燃煤电站锅炉国家重点实验室(哈尔滨锅炉厂有限责任公司)，哈尔滨 150046)

0 引言

能源危机和环境污染始终是关注度最高的两大热点问题，也是困扰并制约火电行业发展的重要因素。随着技术发展，越来越多超超临界锅炉在电厂稳定服役，但是受制于材料的发展，欲进一步提高锅炉运行温度存在困难。为此Vallourec & Mannesmann公司研发的新型耐热钢VM12材料，旨在能于650 ℃条件下应用[1]。VM12材料与9Cr钢的强化机理类似，以V,Nb,N等元素形成MX沉淀硬化相，但与之不同的是，VM12钢的Cr含量超过11%，且加入了最优比例的W,Co,B等元素进行优化，因此，其抗高温氧化性得到提高[2-4]。

近几年已有相关文献对VM12材料在高温下抗蠕变性能和抗氧化性能进行了研究[5-6]，然而关于VM12材料采用TIG方法的焊接工艺以及其焊接接头组织与性能的相关研究报道较少，其中，文献[7]中使用Thermanit MTS 5CoT实芯焊丝作为填充材料，通过TIG焊接得到的接头试样具有较高的强度和良好的延展性。文中采用热丝TIG自动焊接的方法制备对接试样，并对焊接工艺、焊接接头各项力学性能和金相组织展开研究，为VM12材料的应用积累试验数据并提供参考。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验采用VM12小口径钢管进行焊接，其规格为∅38 mm×7 mm，实测化学成分和力学性能分别见表1，2，并与ASME规范案例Code Case 2781中的要求进行对比。根据材料的化学成分、力学性能、热处理要求以及成本等方面综合考虑，决定使用AWS ER90S-B9级别焊丝进行焊接试验。本试验使用9CrWV牌号焊丝，其直径∅1.0 mm，实测化学成分见表1。

表1 VM12及焊接材料实测化学成分 %

表2 VM12材料的室温力学性能

1.2 焊接方法

试样在POLYSOUDE热丝TIG设备上焊接，管子待焊端部加工37.5°V形坡口，焊枪前端和管子内壁通入单一Ar气进行保护，管子两侧开口适当封堵，提前通入保护气15 s以上，保证管子内部为惰性气体气氛。通过设备自带程序控制，连续完成封底、填充及盖面的焊接工作。焊前不进行预热，焊接过程不控制层间温度，焊后进行755 ℃、恒温1 h的去应力退火热处理，焊接参数见表3。

表3 热丝TIG焊接参数

1.3 时效热处理

将去应力退火热处理完成后的试样分为6组进行时效处理试验，时效温度选取600,650 ℃，在箱式电阻炉中分别保温500,1 000,3 000 h。

2 试验结果与分析

全部试样按NB/T 47013—2015《承压设备无损检测》的要求进行100%RT探伤检测，选取I级合格的试样进行后续力学性能测试和微观组织观察分析。

2.1 力学性能测试

按照NB/T 47014—2011《承压设备焊接工艺评定》中要求，制备室温拉伸试样、横向弯曲试样、截面硬度试样和冲击试样，并依据相应标准的要求进行测试。

VM12材料室温抗拉强度测试结果如表4所示，拉伸试样照片见图1。可以看出，两个试样均断裂于母材位置，抗拉强度分别为803,832 MPa，远高于Code Case 2781中的标准值，说明试样焊接质量良好，且所选焊材的室温强度满足标准要求。

表4 VM12材料室温抗拉强度测试结果

注：W-宽度，mm;T-厚度,mm

图1 室温拉伸试样

图2由左至右分别是2个横向面弯试样和2个横向背弯试样，选取直径D=28 mm的弯曲压头进行弯曲测试，将试样弯曲至180°后观察受弯面，从图中可以看出，所有试样的弯曲测试面均平整、光洁，未发现肉眼可见裂纹，可以推断出试样焊接质量较好，且焊缝及热影响区具有良好的韧性和塑性。

图2 弯曲试样

为考察VM12材料焊缝及热影响区的冲击韧性，分别在试样的母材、焊缝和热影响区等位置制取V形缺口冲击试样，并在室温下进行测试，试验结果如表5所示。由于VM12材料的规范案例Code Case 2781中未提供冲击性能指标，因此,以PED 2014/68/EU《Pressure Equipment Directive》中对材料的冲击要求作为参考，即冲击吸收能量应大于27 J。受原材料尺寸限制，无法制备标准试样，仅能加工出宽度为5 mm的小尺寸冲击试样，因此测试结果超过标准指标的50%(13.5 J)即为合格。分析表5中的试验结果数据可以得出结论:焊缝和热影响区处的冲击吸收能量均满足标准最低要求，但冲击韧度较低，且远低于母材。参考其他高Cr马氏体耐热钢的研究结果，适当提高热处理温度，或延长热处理恒温时间，VM12材料焊接接头的冲击性能会有所改善[8-9]。

表5 冲击试验数据

Skrzypczyk等[10]采用激光焊接的方法，不填丝对接焊接VM12材料，焊后未进行热处理，测得焊缝硬度范围为440HV10～460HV10，热影响区硬度范围为470HV10～490HV10。为进一步探究采用热丝TIG焊接方法，填充AWS ER90S-B9焊丝，VM12焊接接头的硬度分布情况以及焊后热处理对焊接接头的影响，制备了焊态试样和热处理后的试样分别进行显微硬度测试。为方便对比，将两组测试结果汇总于图3中(其中，上方的曲线为焊态下VM12材料母材、热影响区和焊缝等区域的硬度值，下方的曲线为试样热处理后3个区域的硬度值)。

图3 焊态及热处理后试样的硬度

从测试结果可以看出，在热丝TIG焊接热作用下，焊缝和热影响区的硬度也比较高，均值分别为430HV10和465HV10。经过755 ℃去应力退火热处理，焊缝和热影响区位置的硬度明显降低，分别降至300HV10和310HV10，由于Code Case 2781中未规定VM12材料的硬度范围，仅能参考ISO 15614-1：2017《Specification and Qualification of Welding Procedures for Metallic Materials—Welding Procedure Test—Part 1:Arc and Gas Welding of Steels and Arc Welding of Nickel and Nickel Alloys》中合金钢的硬度要求(≤350HV10)，由此推断热处理效果较好，但还需通过对比观察微观组织进一步分析。

研究表明,VM12材料在650 ℃温度下的抗拉强度略高于300 MPa[11]。为了考察VM12材料焊接接头的高温性能，文中对焊接试样进行了650 ℃的高温拉伸试验。受试验仪器设备能力和管子尺寸限制，只能制备横截面尺寸约为5 mm×7 mm的非标准试样，测试后的试样如图4所示。

(a)

(b)

观察图4可以看出，两个试样均断裂于焊缝之外热影响区的位置，平均抗拉强度276 MPa，低于管子原材料的试验值。分析出现这种情况的原因可能是：(1)在焊接热的作用下，热影响区晶粒长大，强度下降；(2)一部分强化元素以碳化物的形式析出，沉淀强化效果减弱；(3)接头试样经历一次焊后热处理，材料强度略有降低。

已有文献研究，马氏体耐热钢经历长时间高温时效处理后，材料可能出现内部位错密度降低、固溶强化元素析出，而导致材料硬度出现不同程度下降的现象[12-13]。文中对经时效热处理后的各组试样进行显微硬度测试，研究VM12焊接试样的母材、热影响区和焊缝等区域的力学性能经时效热处理后发生的变化。图5示出不同时效状态各组试样的硬度测试结果，可以看出，3个区域的硬度值变化都没有明显规律，而且均值振幅很小，不超过20HV10，由此推测VM12焊接试样的内应力变化较小，组织稳定性较好。

图5 时效热处理后各组试样的硬度

2.2 金相组织观察

图6为VM12材料焊接接头的金相照片。

(a)焊态

(b)焊后热处理态

图6 VM12材料焊接接头微观组织照片

图6(a)中焊缝及热影响区在焊接热作用下经过热和过冷，形成马氏体+残余奥氏体组织，由于热丝TIG自动焊接速度较快，焊后未作保温处理，自然冷却，且管壁薄、焊层少，焊道回火的影响很小，因此试样的过冷度较高，导致大量奥氏体来不及转化为马氏体，最终形成残余奥氏体。此时马氏体为扁八面体结构，而碳原子在其空隙之中，引起剧烈的点阵畸变，产生较强的应力场[14]。

图6(b)中母材、焊缝及热影响区均为黑色针状回火马氏体，在焊后热处理作用下，马氏体中碳化物沿晶界析出，晶体点阵畸变程度减小，给残余奥氏体转变释放空间，并在热力驱动下转变为回火马氏体[14]。热处理提高了晶体内部能量，使位错可以继续滑移或攀移运动而逐渐消失，晶内微观缺陷减少，且晶格弹性畸变减弱，使得内应力下降，硬度也随之降低。综合对比热处理前后微观组织变化和硬度下降幅度，可以推断热处理的效果较好。

图7示出经历不同时效处理后焊缝及热影响区的金相照片。与图6(b)对比可以发现，经过时效处理后组织中回火马氏体的板条束轮廓更加明显，且更加稳定，热影响区和母材难以区分，焊缝位置存在少量δ铁素体。观察图7(a)～(f)中的微观组织，没有发现马氏体板条束的数量和轮廓以及晶粒尺寸出现明显变化，由此推断VM12材料焊接接头的高温稳定性较好。

(a)600 ℃/500 h

(b)650 ℃/500 h

(e)600 ℃/3000 h

3 结论

(1)使用AWS ER90S-B9级别焊丝，采用热丝TIG焊接方法可以得到质量良好的VM12焊接接头，经过焊后退火热处理，接头的室温抗拉强度、弯曲性能及冲击性能均满足标准要求，焊缝和热影响区的硬度降至合理范围，但接头在650 ℃时的高温抗拉强度略低于原材料的试验值。

(2)焊态的焊缝组织由马氏体和残余奥氏体组成，经退火热处理后组织全部转变为黑色针状的回火马氏体。

(3)时效处理后焊缝和热影响区处的马氏体板条轮廓更加明显，在600 ℃和650 ℃环境中进行500～3 000 h时效处理后，焊接接头的力学性能和微观组织变化不明显，高温稳定性较好。