超超临界机组用Super304H钢焊接接头的组织和性能

李学峰，张忠文，李新梅，杜宝帅，张 丽

（1.国网技术学院，山东济南250061；2.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东济南250002）

超超临界机组用Super304H钢焊接接头的组织和性能

李学峰1，张忠文2，李新梅2，杜宝帅2，张 丽1

（1.国网技术学院，山东济南250061；2.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东济南250002）

采用光学显微镜、扫描电子显微镜及能谱仪等手段，通过拉伸试验、弯曲试验、冲击试验和硬度试验，研究超超临界机组用Super304H奥氏体耐热钢焊接接头的微观组织和力学性能。结果表明：Super304H钢焊接接头的组织均为γ+析出相，热影响区的晶粒尺寸有明显的长大，焊缝组织是典型的胞状树枝晶，枝晶界上的析出相主要为Nb（C，N）。Super304H钢焊接接头具有较高的强度和良好的塑韧性，但接头的组织形态对韧性有重要影响，粗大的柱状晶是焊缝韧性降低的重要原因，熔合区因Nb（C，N）析出强化硬度较高。

超超临界机组；Super304H钢；焊接接头；组织与性能

0 前言

Super304H钢是由日本住友金属会社和三菱重工联合研制出的一种新型细晶粒奥氏体耐热钢，它是在TP304H钢的基础上，添加3％Cu、0.45％Nb和一定量的N，提高了钢的高温强度，并且在成材工艺上，通过调整软化处理温度和固溶处理温度获得细小的奥氏体晶粒，以达到抗高温蒸汽氧化性的目的。Super304H钢因其优良的综合性能和成本，在超超临界（Ultra-supercritical，USC）机组中得到了广泛应用，国内建设的USC锅炉高温过热器和再热器大都采用了Super304H钢[1-4]。

Super304H钢的特点是晶粒细化和析出强化[5]，但是在焊接条件下这两个特点都将发生变化；熔敷金属结晶为一次粗大奥氏体柱状晶粒，使得焊缝析出相的数量、分布、形态都会有很大的差别，造成焊接

接头与母材的性能不同。供货状态下Super304H钢的室温组织是单一奥氏体基体，当焊接热影响区晶粒粗化后会增大热裂倾向，熔敷金属结晶为一次奥氏体相，增大热裂敏感性[6]，因此制定焊接工艺的原则是采用较小的焊接热输入量，并保持较低的层间温度。本研究采用日本住友生产的Super304H钢管，通过手工钨极氩弧焊制备焊接接头，深入研究接头的微观组织和力学性能，为完善Super304H钢的焊接工艺提供参考数据。

1 试验材料和试验方法

1.1 试验材料

试验用Super304H钢管规格为φ45 mm×9 mm；焊丝为配套的氩弧焊丝#T-304H，φ2.4 mm。采用SPECTROLAB定量光谱仪实测Super304H钢管和焊丝的化学成分，如表1所示。

表1 Super304H钢管和焊丝的化学成分Tab.1Chemical composite of Super304H tube and electrode used in the experiment ％

1.2 试验方法

利用机械加工方法将Super304H钢管端面加工成V型坡口，其尺寸为：坡口面角度30°～35°，钝边0.5～1 mm，对口间隙2.5～3 mm。置于45°固定位置对接焊接，焊接方法为手工钨极氩弧焊（GTAW），氩气保护流量8～11 L/min，多层多道焊，采用红外线测温仪检测，控制层间温度不超过150℃，见表2。

表2 焊接工艺参数Tab.2Weld parameters

依据标准[7]，利用线切割方法加工Super304H钢焊接接头的金相试样、拉伸试样、弯曲试样和冲击试样，其中冲击试样的规格为55 mm×10 mm× 5 mm、V形缺口。在WES-600D液压万能试验机上进行拉伸试验和弯曲试验；在JB-30B冲击试验机上进行常温冲击试验，在JSM-6380LA型扫描电镜下观察断口的微观形貌；研磨抛光Super304H钢焊接接头试样，利用王水进行腐蚀，通过Olympus Model BX51M型光学显微镜观察金相组织，并在JSM-6380LA型扫描电镜下观察组织的微观形貌；用MH-6显微硬度计测量试样的显微硬度（实验载荷200 g，加载时间15 s）。

2 试验结果和分析

2.1 焊接接头的显微组织

在供货状态下，Super304H钢的组织为单一的γ-基体，奥氏体晶粒细小均匀，其上有一定数量的析出相分布，析出相种类主要为Nb（C，N）和富铜相[8]。在焊接条件下，Super304H钢焊接接头的金相组织仍为γ-基体，焊缝金属的组织形态为柱状晶和胞状晶，并且晶粒粗大、尺寸不均匀；焊接热影响区组织的晶粒尺寸不均匀，靠近熔合区的部位因受到较大的热输入，其晶粒有明显的长大，如图1所示。

图1 Super304H钢焊接接头的金相组织Fig.1Metallographic structure for weldment of Super304H steel

在扫描电镜下观察Super304H钢焊接接头的微观组织，如图2所示，接头各区域的组织都是由γ+析出相组成。熔合区和焊缝金属组织中的析出相主要沿晶界分布，其形态呈颗粒状和条状。结晶过程中因Nb等元素在晶界处发生偏析，过饱和的Nb以Nb（C，N）形式析出。

图2 Super304H钢焊接接头SEM照片和能谱分析Fig.2SEM micrographs and energy spectrum analysis for weldment of Super304H steel

2.2 焊接接头的力学性能

（1）拉伸试验和弯曲试验。

在室温条件下进行Super304H钢焊接接头的拉伸试验，结果如表3所示。两个拉伸试样全部断于焊接接头熔合线以外的母材上，其抗拉强度都高于标准规定的最小值550 MPa，说明接头强度不低于母材。

表3 Super304H钢焊接接头室温拉伸性能Tab.3Tensile properties for weldment of Super304H steel at room temperature

加工Super304H钢焊接接头面弯和背弯各两个试样，分别进行弯曲试验，压头直径和支座间距分别为40 mm和57 mm，试样弯曲180°后进行检查，四个试样的内外弯曲表面均无裂纹产生，说明Super304H钢焊接接头具有良好的塑性。

（2）硬度试验。

Super304H钢焊接接头中焊缝金属至母材的显微硬度变化曲线如图3所示。整个焊接接头的硬度值分布并不均匀，熔合区由于处于半熔融状态，基体中过饱和的Nb在高温下向半熔融晶界扩散，凝固过程中会有大量Nb（C，N）析出（见图2），引起该区域产生析出强化，硬度相对较高。软化区因为富Cu相全部溶解以及Nb（C，N）部分溶解引起沉淀强化效果减弱，硬度较低。

（3）冲击试验。

Super304H钢焊接接头各区域的冲击功如图4所示，焊缝的冲击功较低，焊接热影响区组织不均匀，导致其冲击功低于母材。Super304钢焊接接头冲击试样断口扩展区微观形貌如图5所示，焊接热影

响区断口形貌为韧窝断裂，焊缝断口的微观形貌与焊缝的结晶组织形态相关联，断口面上类似的小韧窝是胞晶形状的反映，韧窝浅且断口平坦，表现在裂纹扩展时受到的阻力较低，因此焊缝的冲击功较低。

图3 Super304H钢焊接接头的显微硬度分布Fig.3Microhardness distribution for weldment of Super-304H steel

图4 Super304H钢焊接接头的冲击功值Fig.4Impact energy values for weldment of Super304H

图5 Super304H钢焊接接头冲击试样断口SEM形貌Fig.5Impact fracture morphology for weldment of Super304H steel after impact test

3 结论

（1）Super304H钢焊接接头在焊接条件下其组织均为γ+析出相，焊缝金属组织是典型的胞状树枝晶，枝晶界上的析出相主要为Nb（C，N）；而靠近熔合区处的焊接热影响区晶粒尺寸有明显长大趋势。

（2）Super304H钢焊接接头具有良好的塑、韧性和较高的强度，接头各项力学性能指标满足标准要求。熔合区因Nb（C，N）的析出强化硬度较高；接头的组织形态对韧性有重要影响，焊缝粗大的柱状晶是引起焊缝韧性降低的重要原因。

[1]Igarashi M.Creep Properties of Heat Resistant Steels and Superalloys[M].Springer：Springer Berlin Heidelberg，2004：260-264.

[2]Sawaragi Y，Ogawa K，Kato S，et al.Development of the Economical 18-8 Stainless Steel(Super304H)Having High Elevatweld Temperature Strength for Fossil Fired Boillers [J].The Sumitomo Search，1992，48（1）：50-58.

[3]Kan T，Sawaragi Y，Yamadera Y，et al.Properties and Experiences of a New Austenitic Stainless Steel Super 304H (0.1C-18Cr-9Ni-3Cu-Nb-N)Tubes for Boiler Tube Application[C].Belgium：Materials for advanced power engineering，1998：441-450.

[4]Sawaragi Y，Otsuka N，Senba H，et al.Properties of a new 18-8 austenitic steel tube(SUPER 304H)for fossil fireld boilers after service exposure with high elevated temperature strength[J].Sumitomo Search，1994（56）：34-43.

[5]李新梅，邹勇，张忠文，等.Super304H奥氏体耐热钢微观组织研究[J].材料科学与工艺，2010，18（2）：281-286.

[6]王志军.Super304H钢钢脉冲弧焊焊接工艺及性能试验[J].电力建设，2013，34（6）：109-112.

[7]DL/T868-2014，焊接工艺评定规程[S].北京：国家能源局，2014.

[8]李新梅，邹勇，张忠文，等.Super304H奥氏体耐热钢微观组织研究[J].材料科学与工艺，2010，18（2）：256-261.

Microstructure and properties of welded joint of Super304H steel applied in ultra-supercritical unit

LI Xuefeng1，ZHANG Zhongwen2，LI Xinmei2，DU Baoshuai2，ZHANG Li1
（1.Technology College，State Grid Corporation of China，Ji'nan 250061，China；2.Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250002，China）

Microstructure and mechanical properties of welded joint of Super304H steel applied in Ultra-supercritical unit were investigated by optical microscopy，scanning electron microscopy，energy dispersive X-ray spectroscopy，tensile test，bending test，impact test and hardness measurement.The results show that microstructure of welded joint of Super304H steel consists of γ phase and precipitates.Grain growth is observed clearly in the heat affected zone.Weld metal shows the microstructure of cellular dendrite and precipitates formed along the dendrite grain boundaries is Nb(C，N).Relatively high strength and good ductility and toughness are obtained for the welded joint ofSuper304H steel.However，it is found that microstructure ofthe welded joint has obvious influence on the toughness. Formation of coarse column grain is an important reason for the toughness reduction of the weld metal.Hardness of the fusion zone shows relativelyhigh value due tothe precipitation strengtheningofthe Nb(C,N).

USC unit；Super304H steel；welded joint；microstructure and property

TG457.11

A

1001-2303（2016）10-0108-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.10.22

献

李学峰，张忠文，李新梅，等.超超临界机组用Super304H钢焊接接头的组织和性能[J].电焊机，2016，46（10）：108-111.

2016-03-21；

2016-06-13

李学峰（1962—），男，山东临沂人，副教授，主要从事电气工程应用及金属材料的研究工作。