10Cr-Co3-W2-MoNiVNbNB耐热钢焊接性研究

赵鹏飞，舒学芳，匡清华，钟杰，谭小平，王大勇，毛桂军

(东方汽轮机有限公司，四川德阳，618000)

10Cr-Co3-W2-MoNiVNbNB耐热钢焊接性研究

赵鹏飞，舒学芳，匡清华，钟杰，谭小平，王大勇，毛桂军

(东方汽轮机有限公司，四川德阳，618000)

文章通过斜Y试验和插销试验研究了超超临界汽轮机组用10Cr-Co3-W2-MoNiVNbNB耐热钢的焊接性。结果表明该耐热钢焊前需预热，焊材不同，预热要求也不同。

10Cr-Co3-W2-MoNiVNbNB，耐热钢，焊接性，斜Y试验，插销试验

0 引言

随着能源危机和环境污染的加剧，火力发电行业目前面临着很大的压力，为满足严格的环保要求，高效率的超超临界（Ultra-supercritical，USC）发电技术在众多的洁净煤发电技术中脱颖而出，得到了广泛应用。这也使得超超临界发电机组用耐热钢的研究和使用发展迅速，尤其是Cr含量为9%～12%的铁素体耐热钢，以其优异的耐高温蠕变、耐高温氧化及抗疲劳性能被广泛进行研究[1-3]。

10Cr-Co3-W2-MoNiVNbNB（下用Co3W2代替）是一种新型的铁素体耐热钢，主要应用于USC汽轮机组高温动、静叶，高温螺栓等部件。Co3W2耐热钢在T92耐热钢的基础上，继续优化C、Nb、V等元素，通过添加N元素，使用W元素代替部分Mo元素，并添加3%左右的Co元素，提高其耐高温蠕变性能。国内外学者对9%～12% Cr耐热钢的焊接及其接头的蠕变性能进行了大量研究[4-8]，结果表明此类耐热钢冷裂纹倾向明显，焊前多需预热，且必须选择与母材匹配的焊材，而Co3W2耐热钢作为新型材料，没有与其强度或化学成分匹配的焊材，因此需对其焊接性进行研究，选择合适的焊材及焊接工艺，为其在工程中应用提供理论依据。

本试验研究针对Co3W2耐热钢，就其不同焊材选择，进行了斜Y型坡口裂纹试验和插销试验研究，获得了较完整的焊接性试验数据，从而为确定该材料的焊接冷裂纹敏感性、焊前预热温度及后续工艺评定试验提供了技术基础。

1 试验材料

1.1 试验材料

Co3W2耐热钢的使用状态为调质（淬火+高温回火）态，其显微组织为均匀回火马氏体。试验件采用圆钢锻造而成，试件锻造后，进行1 100℃油淬+710℃高温回火处理，其化学成分及力学性能分别见表1、表2和表3。

1.2 试验焊材

Co3W2耐热钢强度高、成分复杂，没有与其强度或成分相匹配的商用焊材，SHAJU K. ALVERT等使用Ni基焊材（INCONEL 82，即AWS ERNiCr-3）研究了不同B元素含量时的焊接接头的性能[8]，因此，本试验以低强度匹配为原则，分别选择了METRODE公司的CHROMET 9MV-N、CHROMET 92、CHROMET 10MW、AWS ENi-CrFe-1焊材，进行了试验研究，各焊材的室温力学性能指标见表4。

表1 Co3W2耐热钢化学成分wt%

表2 Co3W2耐热钢室温力学性能

表3 Co3W2耐热钢高温力学性能

表4 各焊材力学性能指标

2 试验结果及分析

2.1 焊材试验

按照各焊材供应商推荐参数进行熔敷金属焊接试验，各焊材熔敷金属的室温力学性能如表5所示。

由于Co3W2耐热钢有高温短时持久性能要求，对熔敷金属按照母材要求进行了短时持久性能试验，试验结果如表6所示。

可以看出，按照Co3W2耐热钢短时持久性能要求，所选择的的焊材均不满足，各焊材在650℃/245 MPa的条件下，几乎没有发生蠕变，直接脆性断裂。

因此，参照产品中另一种与Co3W2耐热钢对接焊材料的高温短时持久性能参数585℃/196 MPa和625℃/147 MPa，再次进行了试验，结果如表7所示。

表5 各焊材熔敷金属室温力学性能

表6 各焊材熔敷金属高温短时持久性能

表7 各焊材熔敷金属高温短时持久性能

可以看出降低试验条件后，CHROMET 10 MW、CHROMET 92、AWS ENiCrFe-1焊材熔敷金属高温短时持久性能满足要求，CHROMET 9MVN焊材不满足要求。由于CHROEMT 92焊材使用过程中，操作者反馈该焊材实际操作性较差，因此仅针对CHROMET 10MW和AWS ENiCrFe-1焊材继续进行后续抗裂性试验研究。

2.2 斜Y型坡口抗裂试验

采用斜Y型坡口焊接裂纹试验，对Co3W2耐热钢的焊接裂纹敏感性进行了评估。试验参照国标《斜Y型坡口焊接裂纹试验方法》规定进行。试件在锻件毛坯上采用锯削方式进行取样，然后采用机械加工方式进行坡口加工，试样形状及尺寸如图1所示。

2.2.1 试验条件

在室温（20℃）、预热100℃、150℃、200℃、250℃、300℃几种情况下进行斜Y试验，试样加热方式为电炉加热，保温棉包裹缓冷至试验温度后进行焊接。拘束焊缝采用AWS E5015焊材，规格为Φ4.0。试验焊缝采用CHROMET 10 MW和AWS ENiCrFe-1焊条，规格均为Φ4.0，焊接方法为手工电弧焊。

2.2.2 试验结果及分析

试件焊接完成后，冷却至室温，48 h后，对试件进行表面渗透检验（PT），并对试件焊缝进行解剖，试验结果如表8所示。

图1 斜Y试验试样形状及尺寸

表8 试件表面检验接解剖裂纹检测结果

试验结果分析：

（1）Co3W2耐热钢有很强的冷裂纹倾向，采用CHROMET 10MW和AWS ENiCrFe-1焊材进行Co3W2耐热钢焊接前均需预热；

（2）对于CHROMET 10MW焊条，各温度段均有不同程度的裂纹情况；AWS ENiCrFe-1焊条，预热100℃和300℃时，裂纹消失，其余温度均有不同程度的裂纹情况；

（3）仅从抗冷裂纹倾向来看，AWS ENiCrFe-1焊条更适宜于Co3W2耐热钢的焊接。

2.3 插销试验

分别采用CHROMET 10MW及AWS ERNiCr-3焊材，采用插销试验，对Co3W2耐热钢的焊接裂纹敏感性进行了评估，试验标准参照《焊接用插销冷裂纹试验方法》规定进行，试验在西交大自主开发的ICT01型插销试验平台上进行。试验温度：室温（20℃）、预热100℃、200℃、300℃。

2.3.1 试样制备

插销试棒直径选为8 mm，开环形缺口，缺口位于焊接热影响区粗晶区，如图2（a）所示。底板选用Co3W2锻件，加工后尺寸为200 mm×300 mm×20 mm，沿试板长度方向钻5个孔，孔径为8 mm，孔间距为50 mm，距每个孔横向12 mm处，钻盲孔，孔径为3 mm，深度为18 mm，用于测量缺口根部的热循环温度，如图2（b）所示。

2.3.2 试验过程

焊材为CHROMET 10MW，插销试验采用手工电弧焊方式；焊材为AWS ERNiCr-3时，插销试验采用手工氩弧焊方式焊接试样，焊接过程参数如表9所示。

2.3.3 试验结果及分析

在不同预热温度下，CHROMET 10MW焊条插销试验临界应力-时间曲线如图3（a）所示。从图中可以看出在室温条件下该材料的临界断裂应力不到200 MPa，远低于Co3W2材料的屈服强度620 MPa。表明在不预热条件下，该材料冷裂倾向很大；预热100℃条件下，该材料的临界断裂应力达到了324.6 MPa，虽仍低于其屈服强度，但较之室温其冷裂倾向已有较大改善；预热温度为200℃时，该材料的临界断裂应力达到449.4 MPa，比预热100℃时又有所提高，但仍低于母材屈服强度。当预热温度提高到300℃时，该材料的临界断裂应力提高至591.3 MPa，接近母材屈服强度620 MPa，表明在此预热温度下，冷裂纹倾向明显得到改善，和前文进行的斜Y试验结果相当。

图2 插销试验试样形状及尺寸

表9 焊接过程参数

图3（b）是手工氩弧焊插销试验临界断裂应力-时间曲线，可以看出：室温条件下，该材料氩弧焊插销临界断裂应力达到了624 MPa，与该材料的屈服强度620 MPa相当，说明在未预热条件下该材料采用AWS ERNiCr-3焊丝填充时冷裂倾向很小，和前文Ni基焊条斜Y试验结果差异较大，分析原因是由于氩弧焊焊接过程中，氩气的存在能够有效隔离空气，减少空气中氢进入到焊缝当中，且焊丝中含氢量少于焊条导致。

2.3.4 断口分析

插销试验中，由于试样缺口在HAZ的粗晶区内，此处氢含量相对较高，在焊后的载荷作用下，在缺口处萌生裂纹。裂纹产生使得插销实际应力增大，最后发生断裂。分析CHROMET 10MW焊条和AWS ERNiCr-3焊丝插销断口可知，每个断口均包含韧窝和准解理断口形貌，如图4所示典型的沿晶、准解理和韧窝断口形貌。断口中还可看到准解理和韧窝断口的明显分界，此种分界现象几乎在所有断口中存在，CHROMET 10MW焊条插销断口尤为明显，但预热温度低或室温条件下由于韧窝区域很少，使得这种分界现象不明显，甚至消失。

插销试验断口分为起裂区、扩展区和最后瞬断区，起裂区的形貌最能反映断裂特征，由于CHROMET 10MW焊条冷裂倾向更明显。为分析其开裂原因，观察了不同预热温度下，相近拘束应力条件下，插销断口起裂区的形貌，如图5所示，可以看出，起裂区断口大部分为典型的氢致开裂断口。

从图中可以看出：不同预热温度下插销试样断口存在明显差异，焊前不预热，断口表面可以看到明显的沿晶+穿晶断裂特征（见图5（a）），随着预热温度的升高，沿晶断裂特征逐渐消失（见图5（b）），并最终转变为穿晶断裂（见图5（c）），当预热温度达到300℃时，断口表面出现了明显的韧性断裂特征（见图5（d））；且不同预热温度下，断口表面均存在明显的二次裂纹，预热100℃时，二次裂纹最为粗大，随着预热温度的进一步升高，二次裂纹尺寸明显减小。

这主要是因为在焊接过程中，焊缝金属氢的含量较多，焊后冷却过程中，发生相变，由奥氏体转变为铁素体以及珠光体等组织。由于氢在奥氏体中的溶解度较大，相变后焊缝金属氢的溶解度急剧降低，使得氢快速从焊缝穿过熔合线向HAZ扩散；由于氢在奥氏体中的扩散速度较小，而此时HAZ由于合金元素含量较高，依然为奥氏体组织，造成了氢在熔合线附近富集。HAZ的粗晶区离熔合线最近，氢含量要明显高于其他部位。在随后的焊后冷却过程中，粗晶区内部奥氏体转变为马氏体，氢便以饱和态存在于马氏体中，并在其内部存在的显微缺陷处聚集，造成很大的局部应力集中。在外力作用下，应力集中部位就会产生裂纹。因此，粗晶区氢含量的高低在很大程度上决定了焊接接头的冷裂敏感性，氢含量越高，冷裂倾向越强。

图3 两种焊材对应Co3W2耐热钢插销临界应力-时间曲线

图4 插销断口典型形貌

图5 不同预热温度插销试样断口起裂区扫描电镜形貌

3 结论

（1）CHROMET 10MW和AWS ENiCrFe-1 2种焊条的斜Y坡口试验结果表明：Co3W2耐热钢有很强的冷裂倾向，应焊前预热，AWS ENiCrFe-1焊条更适合于其焊接；

（2）CHROMET 10MW焊条的插销试验结果表明：Co3W2耐热钢有一定的冷裂倾向，随预热温度升高，该倾向降低；预热300℃以上时，裂解断裂应力接近屈服强度，表明此预热温度可防止焊接冷裂纹产生；AWS ERNiCr-3焊丝的插销试验结果表明：使用Ni基焊丝，在室温即可进行焊接；

（3）不同预热温度下，CHROMET 10MW焊条插销试样的断口为准解理+氢致开裂特征，随预热温度提高，氢致开裂断口特征逐渐消失；

（4）综合考虑斜Y坡口及插销试验结果，对于Co3W2材料，如采用CHROMET 10MW焊条，最低预热温度300℃；采用Ni基焊丝，预热温度宜选取50～100℃。

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Study on Weldability of 10Cr-Co3-W2-MoNiVNbNB Heat-resistant Steel

Zhao Pengfei，Shu Xuefang，Kuang Qinghua，Zhong Jie，Tan Xiaoping，Wang Dayong，Mao Guijun
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

The weldability of 10Cr-Co3-W2-MoNiVNbNB heat-resistant steel used in ultra-supercritical unit is studied by Y-slit type cracking test and implant test.The result shows that the steel needs preheating before welding,when using different welding consumables,preheating requirements are different.

10Cr-Co3-W2-MoNiVNbNB,heat-resistant steel,weldability,Y-slit type cracking test,implant test

TG44

B

1674-9987（2015）04-0029-08

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2015.04.008

赵鹏飞（1981-），男，硕士研究生，工程师，2008年毕业于哈尔滨工业大学材料加工工程（焊接）专业，现从事汽轮机高温部套焊接研究工作。