620 ℃机组新型马氏体耐热钢12Cr10Co3W2MoNiVNbNB焊接性及接头性能

张红涛，熊建坤，何 瑞，余 勇

（东方汽轮机有限公司，四川德阳618200）

620 ℃机组新型马氏体耐热钢12Cr10Co3W2MoNiVNbNB焊接性及接头性能

张红涛，熊建坤，何 瑞，余 勇

（东方汽轮机有限公司，四川德阳618200）

12Cr10Co3W2MoNiVNbNB钢为自主研制的9％Cr～12％Cr高强度马氏体耐热钢，与传统的Cr-Mo-W耐热钢相比，具有高温强度高、抗蠕变性能和抗氧化性能好等优点。研究12Cr10Co3W2MoNiVNbNB的焊接性，测定了焊接接头的常温拉伸、弯曲、冲击、高温拉伸等。结果表明，焊接接头的常温力学性能和高温拉伸均能满足620℃超超临界汽轮机高压隔板的设计和使用要求。

马氏体耐热钢；焊接性；性能

0 前言

基于常规的发电系统，提高机组参数，发展高经济性、高效率的高参数大容量机组，成为常规燃煤电站增效减排的重要途径，也是燃煤发电技术创新和产业升级换代的主要方向[1]。目前国内正在设计和制造再热蒸汽温度为620℃的超超临界机组。随着汽轮机组进气参数的提高，改进材料及性能研究是高参数机组发展的关键[2]。

12Cr10Co3W2MoNiVNbNB材料是在1Cr11Co3 W3NiMoVNbNB材料基础上自行研发的新型优质12％Cr钢锻件材料[3]。Cr12型马氏体钢虽有较高的抗氧化性和抗腐蚀性，但回火组织的稳定性差，为了强化Cr12型马氏体不休钢的性能，在Cr12型马氏体钢基础上加入了Co、W、Mo、V、Nb、N、B等合金元素来提高该材料的高温抗蠕变强度，抑制δ铁素体的产生，改善钢的韧性[4]。改良的新型优质12％ Cr钢的使用温度达到630℃，已被广泛引用于喷嘴导叶、620℃机组高压1～3级隔板及中压一级导叶[5]。但该钢首次应用于620℃超超临界汽轮机大型焊接件中，其焊接性及焊接接头性能研究报道很少。为确保焊接质量，有必要深入研究此钢的焊接性。

1 焊接性分析

12Cr10Co3W2MoNiVNbNB材料是一种新型马氏体耐热钢，含有多种强化元素（见表1），材料的合金含量高达17％，属于高合金钢，这类钢在焊接时主要存在如下问题[6]：

表1 12Cr10Co3W2MoNiVNbNB钢化学成分％

（1）焊接冷裂纹。冷裂纹是在焊后冷却过程中在Ms点以下或在更低的温度范围内形成的一种裂纹。由表1可知，C、S和P的含量低、纯净度高，具有晶粒细、韧性高的优点，相比较焊接冷裂纹倾向大为降低，基于此类新型铁素体钢的合金成分含量与实际施焊条件下的冷裂倾向，传统碳当量评价冷裂纹倾向的公式已不再适用，但12Cr10Co3W2MoNiVNbNB钢作为马氏体耐热钢，焊接残余应力较大，焊接热循环条件下冷却速度控制不当易导致淬硬的马氏体组织的形成，焊接接头刚度过大或氢含量没得到严格控制，一种或几种因素作用有可能产生冷裂纹，总体来讲该钢仍具有一定的冷裂倾向。

（2）热影响区软化。马氏体耐热钢在焊接过程中热影响区的细晶区和临界区会产生软化现象，原因是焊接接头热影响区的细晶区和临界区在焊接热循环下所承受的温度均高于Ac1温度，处于这一温度区间的金属发生部分奥氏体化，沉淀强化相不能完全溶解在奥氏体中，未溶解的沉淀相在随后的热循环下发生粗化，降低了该区域的强度，软化主要影响高温持久性能，软化区在长期高温运行后易产生裂纹。焊接过程的热循环对软化带有较大的影响，施焊过程中增加预热温度、焊接线能量和提高焊后热处理规范均会使软化带加宽，因此应将整个焊接过程中的热输入量保持在较低水平，以减小软化带宽度，降低其影响。

2 试验方法

试验母材为锻件，力学性能检验结果如表2、表3所示。焊接材料采用MTS 616/φ1.2实心焊丝，其化学成分见表4。焊接接头采用窄间隙焊气体保护焊（NGW）进行焊接。

表2 12Cr10Co3W2MoNiVNbNB钢室温力学性能

表3 12Cr10Co3W2MoNiVNbNB钢高温短时持久性能

表4 MTS 616化学成分％

焊前试板预热温度200℃～250℃，焊接层间温度200℃～300℃，保护气体为φ（Ar）80％+φ（CO2）20％富氩气体，焊接工艺参数如表5所示。焊接试板缓冷至80℃～100℃时，对试板进行350℃～400℃的后热去氢处理，随后对试板分别进行720℃～740℃保温12 h和保温12 h+12 h的去应力热处理。

表5 焊接工艺参数

3 结果分析

3.1 常温拉伸试验

常温拉伸试验方法参照GB/T2651《焊接接头拉伸试验方法》和GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》的规定进行。常温拉伸性能试验合格标准按ASMEⅨ《焊接工艺评定规程》中的要求进行评判，常温拉伸试验结果如表6所示。

表6 拉伸试样结果

由表6可知，拉伸试样均断于焊缝，试板进行720℃～740℃保温12 h热处理的焊缝强度要明显高

于试板进行720℃～740℃保温12 h+12 h热处理的试板焊缝强度。因试板焊接采用的低匹配焊接材料，虽然拉伸试样均断于焊缝，焊缝的抗拉强度可满足焊材标准值的要求，故可判断拉伸试验合格。

3.2 常温弯曲性能试验

常温弯曲试验参照GB/T2653《焊接接头弯曲及压扁试验方法》和GB/T14452-93《金属弯曲力学性能试验方法》的规定进行。常温弯曲试验验收标准执行ASME《焊接和钎接评定》中的要求进行评判，试验结果如表7所示。

表7 弯曲试验结果

根据ASMEⅨ《焊接和钎接评定》规定，试样弯曲到180°后，其每片试样的拉伸面在焊缝和热影响区内任何方向上都不得有超过3 mm的开裂缺陷方为合格。由表7可知，试板经720℃～740℃保温12 h热处理后的弯曲试样不合格。

3.3 冲击试验结果

常温冲击韧性试验方法按照GB/T2650《焊接接头冲击试验方法》和GB/T229-94《金属夏比缺口冲击试样方法》规定进行，焊缝及热影响区的常温冲击试验结果如表8所示。

表8 冲击试验结果

由表8可知，试件经720℃～740℃保温12 h+ 12 h两次热处理后，其焊缝、热影响区的冲击韧性明显比经过720℃～740℃保温12 h一次热处理后冲击性能好，满足标准要求。

对合格冲击试样的热影响区及焊缝金属的常温冲击试样断口进行电镜扫描，分析其断口形貌及断裂形式。典型冲击断口电镜扫描照片如图1所示。

图1 冲击试样断口照片

断口起裂源均为细小等轴韧窝，说明所有的冲击试样在断裂前均发生了塑性变形，扩展区以解理形貌为主，部分试样的扩展区为解理+少量细小韧窝状形貌，初步分析断裂区变形拉长韧窝，还需进一步深入研究。

3.4 硬度试验结果

对焊接工艺评定试件的焊接接头焊缝及两侧母材、热影响区硬度分布进行检验，检验用设备为美国标乐BUEHLER生产的5112型维氏硬度计。各检测点维氏硬度值如表9所示，各层硬度分布曲线如图2、图3所示。

表9 硬度检验结果HV10

图2 试样1焊接接头硬度分布

图3 试样2焊接接头硬度分布

由图2、图3可知，试件焊缝硬度均小于350HV10，试件焊接接头的硬度值合格。由图2可知，焊接接头的热影响区的细晶区和临界较窄的区域产生软化现象。由图3可知，经过两次热处理后焊缝接头的硬度区域均匀化。

3.5 高温拉伸试验结果

焊接接头高温瞬时拉伸试验的试样拉伸时均断于焊缝，具体试验结果见表10。

表10 高温拉伸试验结果

根据ASME标准，MTS 616焊材熔敷金属抗拉强度与温度的曲线如图4所示[1]，由表10可知，选用MTS 616焊材得到的焊接接头高温瞬时拉伸的试验数值均高于标准，因此焊接接头高温短时拉伸性能是合格的。

图4 焊材熔敷金属抗拉强度与温度的关系曲线

3.6 金相组织分析

焊接接头金相组织如图5所示，未发现任何超标的宏观缺陷，焊接接头的微观组织各区域组织均为回火马氏体。结果表明，试验的焊接及热处理工艺合理，避免了焊接接头各区域中淬硬马氏体组织及过热、过烧组织出现。

4 结论

（1）采用MTS616焊材及合理的焊接工艺，其12Cr10Co3W2MoNiVNbNB钢的焊接接头能满足标准要求。

（2）选用720℃～740℃保温12 h+12 h热处理后，焊接接头金相组织没有出现过热、过烧不正常组织，焊接接头硬度均匀，冲击性能好。

（3）12Cr10Co3W2MoNiVNbNB钢的焊接接头高温瞬时拉伸的数值均在标准范围内。

图5 焊接接头组织

[1]DZ2.6.67-2009A.汽轮机用12Cr10Co3W2MoNiVNbNB耐热钢锻件毛坯采购技术规范[S].

[2]增强，燕平，董建新，等.一种低成本、高性能新型超超临界气轮机材料用高温合金的组织和性能[J].钢铁研究学报，2011，23（1）：377-380.

[3]Chaturvedi M C，Richards N L，Xu Q.Electron beam welding of Ni-Based alloys[J].Materials Science and Engineering，1998，s239-240（1）：605-612.

[4]Huang Xiao.Effect of grain boundary segregation of boron in cast alloy 718 on HAZ microfissuring analysis[J].Acta Materialia，1997，45（8）：3095-3107.

[5]李春曦，叶学民.燃气轮机工业的发展前景[J].锅炉制造，2002（4）：40-47.

[6]徐强，张幸红，韩杰才，等.先进高温材料的研究现状和展望[J].固体火箭技术，2002，25（3）：51-55.

New martensitic heat-resistant steel 12Cr10Co3W2MoNiVNbNB weldability and welding joint performance for 620℃USC

ZHANG Hongtao，XIONG Jiankun，HE Rui，YU Yong
（Dongfang Turbine Co.，Ltd.，Deyang 618200，China）

12Cr10Co3W2MoNiVNbNB steel developed for 9％Cr～12％Cr martensite heat-resistant steel，high strength and compared to the traditional Cr-Mo-W heat resistant steel，with high temperature and high strength，good creep resistance and oxidation resistance，etc.In this paper，research the weldability of 12Cr10Co3W2MoNiVNbNB，and the determination of the welded joint of room temperature tensile，bending，impact，high temperature tensile，etc.The results show that mechanical properties of welded joint at room temperature and high temperature tensile can satisfy 620℃ultra-supercritical steam turbine design and requirements of the high pressure separator.

martensitic heat-resistant steel；weldability；performance

TG406

A

1001－2303（2016）09－0007-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.09.02

2016-04-26

张红涛（1977—），男，河南商丘人，工程师，学士，主要从事汽轮机焊接工艺的研究工作。