高温时效对异质接头碳迁移和组织的影响

崔一哲， 李德元， 娄建新

（沈阳工业大学材料科学与工程学院，辽宁沈阳110870）

现代动力机械、化工和石油加工设备以及多种仪器的许多零部件越来越广泛地应用异种金属焊接结构［1］。在火力发电系统中，电站锅炉对流管束高温段（高于580℃）便采用具有良好的高热强性和耐腐蚀性的奥氏体不锈钢，低温段（低于580 ℃）从经济方面考虑仍使用具有高蠕变强度、持久强度和持久塑性、良好的高温抗氧化性和足够的组织稳定性的低合金铬钼耐热钢［2－3］。异种钢的焊接可以充分的兼顾两者的特性，并且能够降低产品的制作成本。

低合金钢和奥氏体不锈钢在化学成分、力学性能以及组织结构等方面有较大差异，降低了异质接头的焊接性和使用寿命［4］。由于焊接过程中母材对焊缝的稀释作用，造成焊缝合金中奥氏体形成元素不足，在熔合区可能出现马氏体组织［5］，从而使焊接接头质量恶化。由于异种钢中化学成分对碳的亲和力不同，造成异质接头熔合线两侧碳元素的化学势不同，形成化学势梯度［6］，在高温下焊缝熔合区会发生碳扩散现象，使碳由低合金钢一侧向不锈钢焊缝一侧扩散，在奥氏体不锈钢一侧形成增碳层，在低合金耐热钢一侧出现脱碳层［7－8］。碳迁移是造成接头高温机械性能降低，高温下失效断裂增加，影响高温使用寿命的主要原因之一［9－10］。为了分析高温时效对异质接头碳迁移和组织的影响，模拟异质接头在高温下的工作环境，对试样进行500 ℃／100h的时效处理。

1 实验材料和方法

根据电站锅炉的选用材料，以12Cr1MoV 为母材，供货状态为正火＋回火，组织为铁素体＋珠光体。以不锈钢焊条A102为焊接材料进行手工电弧堆焊。并对异质接头进行500 ℃／100h 的时效处理。

2 实验结果与分析

2.1 时效时间对碳扩散的影响

利用能谱分析测量焊态下和经过500 ℃／100h时效处理后异质接头试样熔合线两侧各点C、Cr、Ni元素的质量分数，各成分点及碳分布曲线如图1所示，各点元素质量分数如表1所示。

图1 垂直于熔合线的成分点Fig.1 Composition point perpendicular to fusion line

表1 垂直与熔合线各成分点实测质量分数Table 1 Fact mass fraction of composition point perpendicular to fusion line %

从各成分点元素含量表和碳含量分布曲线可以看出，在焊态下熔合线两侧便呈现出明显的碳质量分数梯度，在不锈钢侧距熔合线2μm 左右出现碳质量分数的峰值，测量为0.14%，在母材一侧距离熔合线2μm区域碳质量分数降低，最低值为0.09%。说明在焊态下异质接头便出现少量的碳扩散现象。在经过500 ℃／100h时效处理后，在不锈钢一侧形成增碳区，C、Cr质量分数增加，碳质量分数高于0.17%的区域宽度大约在10μm。最高碳质量分数为0.22%。在低合金钢母材一侧形成脱碳区，碳质量分数值降低，最低碳质量分数为0.07%，脱碳区的宽度大约为15μm。通过碳质量分数分布曲线图可以看出，经过高温时效处理后，由低合金钢一侧向不锈钢一侧扩散碳的量增加。说明在异质接头中，碳扩散主要是由异种材料碳元素的活度梯度引起的，碳总是由活度高的一侧向活度低的部位扩散。碳在钢中的活度大小取决于碳在固溶体中的浓度和钢中其它亲碳合金元素的含量。而在不锈钢焊缝中，由于亲碳元素铬含量高于母材，造成焊缝与母材间形成碳的活度梯度，促使碳由低合金钢一侧向不锈钢一侧扩散。

2.2 时效时间对组织的影响

经过时效处理后，焊缝两侧含碳量发生变化，元素成分的变化以及高温时效引起熔合区和母材组织的变化，通过电镜图片和能谱成分分析时效处理对组织的影响。

焊态下母材热影响区的组织如图2所示，图2（a）为母材＋不完全重结晶区组织，（a）图中左侧为母材，由于该区域距离焊缝较远，焊接热循环并没有对该区域有太大的影响，所以该区域仍然是供货态组织，即铁素体＋珠光体组织。（a）图的右侧及（b）图左侧为不完全重结晶区，该区域组织为铁素体＋针状铁素体组织，宽度大约为500μm，距离熔合线1.8mm。焊接过程中，该区域温度在Ac1～Ac3之间，组织由的α－Fe和P转变成α－Fe和γ－Fe，即只有珠光体组织发生了相变重结晶，冷却过程中转变成针状铁素体，而另一部分始终未熔入奥氏体的α－Fe转变成粗大的铁素体，所以该区域晶粒大小不均，并且由左到右，针状铁素体组织增加。图2中（c）图为完全重结晶区，宽度大约为600μm，距离熔合线大约1.2 mm，焊接时，该区域被加热到Ac3～1 000℃，将发生完全重结晶（即铁素体和珠光体全部转变成奥氏体），在空冷中得到均匀的针状铁素体组织。图2中（d）、（e）为过热粗晶区，宽度大约为750μm，（e）图中（A）区的显微组织放大后如图（f）所示，组织为上贝氏体和粒状贝氏体组织，并且有微量碳化物，该区温度在1 000 ℃到固相线以下，奥氏体晶粒长大现象严重。由于碳在液相中的溶解度高于固相，因此当熔池与母材接触过程中，碳会由低合金钢一侧的未熔化区向焊缝的熔合边界扩散，又由于碳在奥氏体中的溶解度高于铁素体中的溶解度，在冷却结晶过程中，先共析铁素体的析出使碳在未转变的奥氏体中过饱和，焊接冷却速度快，碳不能充分的扩散，因此形成碳过饱和的上贝氏体和粒状贝氏体组织，并且从左到右（即由母材向熔合线方向）晶粒逐渐变大。

图2 焊态下母材HAZ组织Fig.2 Microstructure of base metal HAZ in welding

异质接头在500 ℃／100h时效处理后热影响区的组织如图3所示，高温时效增加了碳的活度，促进了碳的扩散。在焊态下，母材、不完全重结晶区、完全重结晶区的组织均为稳定性较好的组织，所以在经过高温时效后这些区域的组织并没有发生明显变化，如图3中的（a）、（b）、（c）、（d）图。时效处理后过热粗晶区的组织发生较大变化，如图3中（e）、（f）所示，为回火索氏体组织，原焊态下过热粗晶区不稳定的碳过饱和的上贝氏体和粒状贝氏体组织，在高温下发生退化，碳元素在高温下扩散重熔，渗碳体颗粒不再呈片状或颗粒状，而是呈现长条状甚至椭圆状。在高温下由于碳的扩散，在低合金钢一侧距离熔合线15μm 的区域内形成脱碳区，由于碳的脱离，该区域组织与其他过热粗晶区组织相比，铁素体组织比例增加，并且渗碳体成颗粒状。在不锈钢一侧紧靠熔合线出现一条明显的白亮的增碳层。

图3 500 ℃／100h后母材HAZ组织Fig.3 Microstructure of base metal HAZ after 500 ℃／100 h

2.3 增碳区的组织

增碳层组织和各点成分如图4 所示，增碳区的组织为类似于马氏体组织＋碳化物。由于焊接的稀释作用，该区域奥氏体形成元素Cr、Ni质量分数降低，Cr质量分数在9%～13%，而Ni质量分数低于5%～6%，在焊接冷却过程中易形成马氏体组织，由于高温时效使增碳区碳含量增加，Cr质量分数也高于焊态下该区域的实测值，说明C、Cr元素在该区域大量聚集，（b）图中A 点碳质量分数达到0.48%，远高于其他点的含碳质量分数，A 点为碳元素与Cr、Fe形成碳化物。B 点和C 点碳含质量分数分别为0.28%和20%，也高于焊态下该区域的平均值。由于该区域各化学元素分布不均匀，在高温时效后组织发生退化，所以增碳层的组织为不规则的类似于马氏体的组织和大量碳化物。

图4 增碳区组织和成分Fig.4 Microstructure and composition of recarburization

3 结论

焊态下异质接头熔合线两侧便出现了少量的碳扩散，高温时效促进了碳由低合金钢一侧向不锈钢一侧的扩散，在不锈钢一侧的出现增碳区，增碳区组织为不规则的类似于马氏体组织和碳化物，增加了该区域的脆硬性。

在母材一侧形成脱碳区，脱碳区组织为铁素体和颗粒状渗碳体，降低了该区域的强度和韧性。高温时效使母材热影响区组织发生退化，原焊态过热粗晶区的上贝氏体和粒状贝氏体组织退化成回火索氏体。

［1］ 何康生，曹雄夫.异种金属焊接［M］.北京：机械工业出版社，1986：28－42.

［2］ Leif Karlsson.Welding of Dissimilar Metals［J］.Welding in the World，1995，36（4）：528－531.

［3］ 李亚江.焊接冶金学－材料焊接性［M］.北京：机械工业出版社，2006：94－131.

［4］ 李德元，邵成吉，徐国建.珠光体耐热钢和奥氏体不锈钢异质接头的新型焊接材料的研究［J］.焊接技术，1998（5）：28－29.

［5］ Pan C，Zhang Z.Characteristic of the weld interface in dissimilar austenitis－pearlitic steel welds［J］.Materials Characterization，1994，33（2）：87.

［6］ 黄明亮，王来.异质接头Cr5Mo／Cr21Ni12碳扩散的研究［J］.金属学报，2000，36（9）：902－906.

［7］ 黄文长，潘春旭，付强珠.珠光体－奥氏体异种钢焊接接头中碳迁移的跟踪观测［J］.机械工程材料，2006，30（4）：17－19.

［8］ Jang C.Mechanical property variation within Inconel 82／182dissimilar metal weld between low alloy steel and 316stainless steel［J］.International Journal of Pressure Vessels and Piping，2008（85）：635－646.

［9］ Cox C W，Kiser S D.Fusion welding of dissimilar metals for high－temperature strength［J］.Welding Journal，1992，71（5）：67－69.

［10］ Bhaburi A K，Scrinivasam G，Gill T P S，et al.Effect of aging on the microstructure and tensile properties of an alloy 800／9Cr－1Mo steel joint［J］.The International Journal of Pressure Vessels and Piping，1995，61（1）：25－28.