NiCrMoV转子钢窄间隙焊接接头显微组织及力学性能研究

丁玉明　汪雄飞　刘　霞　芦凤桂

(1.上海交通大学材料科学与工程学院，上海　200240；2.上海电气电站设备有限公司上海汽轮机厂，上海　200240)

随着人类社会经济的快速发展，对能源的需求日益激增。据报道，目前火力发电量仍在整个中国的能源结构中占有较大比重[1- 2]。然而传统的火力发电技术由于发电效率低、消耗大量石化资源及对环境污染严重，已不能满足当代能源的发展需求[3- 4]。研究表明，提高热电设备的蒸气压力及温度，可使发电效率得到大幅提升，因此超超临界发电机组得到了广泛的应用[5- 6]。汽轮机转子是汽轮机的核心部件，因其巨大的直径在运行中承受巨大的离心力。而在实际工况中需要转子具有很高的安全性和稳定性[7- 8]，因此有必要对汽轮机转子的力学性能进行研究。

蔡志鹏等[9]对比研究了25Cr2Ni2MoV钢焊接转子热处理前后的残余应力分布情况，结果表明转子深窄间隙接头处存在较为明显的轴向压应力；内、外圈在热处理时均会产生较大的切向拉应力；热处理后，残余应力大大降低，表明加工过程具有很高的稳定性。沈红卫等[10]进行了25Cr2Ni2MoV钢的试制及性能试验，结果表明该材料具有良好的淬透性和综合力学性能，能满足核电低压焊接转子的设计和使用要求。和平安等[11]研究了25Cr2Ni2MoV钢焊接接头中焊缝及母材的热膨胀特性，结果表明不同温度范围焊缝及母材发生的固态相变是其热膨胀特性的原因。李明等[12]借助JMatPro软件对25Cr2Ni2MoV钢进行了焊接性计算分析，间接评定了其工艺焊接性，计算可得焊丝的加入可降低焊缝区的裂纹倾向，从而提高焊缝的强度，且母材与焊材的匹配性良好。预热温度为200～250 ℃时，焊接接头的性能满足设计要求。

随着焊接工艺的发展，焊接接头的性能日益受到关注。本研究旨在全面考察25Cr2Ni2MoV钢焊接接头的组织及常规力学性能，包括微观组织及显微硬度、常温及高温拉伸性能、抗弯及冲击性能等，为同种焊接转子的安全设计及运行提供试验依据。

1　试验材料和方法

1.1　 试验材料

本试验所用材料为NiCrMoV转子钢，采用钨极氩弧焊(TIG)对焊接模拟件进行打底，接着采用埋弧焊(SAW)进行多层多道填充，焊后进行相应的热处理以消残余应力并稳定焊缝组织。母材及焊缝的化学成分如表1所示。

1.2　显微组织观察及硬度分析

表1　母材及焊丝的化学成分(质量分数)Table 1　Chemical composition of the base and fire metals (mass fraction) 　%

对焊接模拟件进行切割、磨削、抛光等处理，然后用体积比为3∶3∶5的HCl+HNO3+H2O溶液进行腐蚀，再用乙醇清洗样品表面并吹干。采用Imager A2m蔡司金相显微镜和JSM7600F扫描电子显微镜观察样品的显微组织。显微硬度测试的试验力为1 kg，进行两排测试，左右间隔500 μm，上下间隔300 μm，保压时间15 s。

1.3　拉伸试验

分别按照GB/T 228.1—2010金属材料室温拉伸试验方法和GB/T 4338—2006金属材料高温拉伸试验方法进行室温和高温拉伸性能试验。试验温度分别为室温、100、150、200、250、300、350 ℃，每个温度进行三组试验，拉伸速率为1 mm/min，预载力为150 N，加热速度根据所需温度的不同分别选择3～8 ℃/min，加热到设定温度后保温5 min。拉伸试样的尺寸示意图如图1所示。

图1　拉伸试样尺寸示意图Fig.1　Schematic diagram of the tensile test sample

1.4　抗弯性能试验

侧弯试样取样时覆盖全埋弧焊焊缝。试验参数如表2所示。试样弯曲后的角度在140°左右，平均最大应力为20.02 kN。

1.5　 冲击性能试验

冲击试验试样V型缺口位置分别处于母材、焊缝中心、焊缝1/4处及热影响区4个不同部位，试样尺寸如图2所示。焊缝中心的冲击试验温度变化范围为-60～60 ℃，以获得其韧脆转变温度，其余位置的冲击试验均在常温下进行。由于热影响区的不均匀性，故在此处加工了9组试样以获得统计性的试验结果，以充分反映热影响区的冲击性能。

表2　弯曲试验参数Table 2　Parameters for bending test specimen

图2　冲击试样尺寸示意图Fig.2　Schematic diagram of the impact test specimens

2　结果与讨论

2.1　显微组织与硬度

焊接接头各区域的显微组织如图3所示。可以看出，整个接头呈典型的多层多道焊形貌，焊缝宽度约20 mm。由图3(c)可知，焊缝中心细晶区的晶粒很细，主要为回火贝氏体。图3(d)～3(g)分别为热影响区、母材、粗晶区及细晶区的组织。可见母材晶粒粗大，主要为回火索氏体；细晶区晶粒较细且分布均匀，粗晶区晶粒较大且分布不均匀，两者均为回火马氏体/贝氏体组织。

图4为焊接接头的显微硬度测试结果。可见焊接接头的显微硬度大致呈对称分布，母材硬度约为265 HV，焊缝处的硬度波动较大，约在225～275 HV，焊缝中心细晶区存在明显的软化区，硬度约为240 HV。两侧粗晶区的组织为板条马氏体，因此该区域的硬度最高，达350 HV左右。两侧热影响区均存在明显软化区，硬度约为240 HV。两侧热影响区及焊缝中心细晶区的软化区硬度都较低，易成为整个接头的薄弱环节。

2.2　拉伸性能

图5(a)为焊接接头的屈服强度及抗拉强度随试验温度的变化曲线。可见室温下的屈服强度和抗拉强度最大，分别约为730和790 MPa。随着试验温度的升高，屈服强度和抗拉强度逐渐降低，但当温度高于200 ℃时逐渐趋于稳定，且在250 ℃时屈服强度有最小值约640 MPa，350 ℃时抗拉强度有最小值约699 MPa。图5(b)为断面收缩率及断后伸长率随温度的变化曲线。可见室温下的断后伸长率约为15%，断面收缩率约为68%，随着温度的升高，断后伸长率小幅度增加，但在300 ℃时明显降低至约12.5%，而断面收缩率随温度的升高无明显变化。

图3　焊接接头的宏观组织(a)和焊缝(b)、焊缝中心细晶区(c)、热影响区(d)、母材(e)、粗晶区(f)、 细晶区(g)的显微组织Fig.3　 Macrostructure of welded joints(a) and microstructures of WM(b), FGZ of the welded center (c), HAZ (d),BM (e),CGZ (f),FGZ (g)

图4　焊接接头的显微硬度Fig.4　Micro- hardness across the welded joint

图6为不同温度拉伸试验后试样的断口微观形貌。由图6(a)～6(d)可以看出,拉伸试样均为韧性断裂，断口的主要特征为等轴韧窝，部分韧窝中可见到颗粒，且高温拉伸试样的大尺寸韧窝的比例比室温拉伸试样的更高。由图6(e)～6(f)可见，350 ℃拉伸的试样除了等轴韧窝这一明显特征外，还在断口处观察到一定数量的孔洞，该类空洞深且大，尺寸远远超过周围的韧窝，部分孔洞中还可观察到第二相粒子的存在。此外所有温度下的拉伸试样均断在了焊缝中心的细晶区处，这是由于焊缝中心的硬度为整个接头的最低值，易成为整个接头的薄弱环节。

图5　焊接接头的屈服强度、抗拉强度(a)和断面收缩率、断后伸长率(b)随试验温度的变化Fig.5　Variation of yield strength, tensile strength (a) and reduction in area, elongation (b) of the welded joint with test temperature

图6　室温(a)、100 ℃(b)、300 ℃(c)和350 ℃(d～f)拉伸试验后试样的断口微观形貌Fig.6　Fracture morphologies of the specimens after tensile testing at RT(a), 100 ℃(b), 300 ℃(c) and 350 ℃(d～f)

图7　试样抗弯试验后的宏观照片Fig.7　Macrograph of the specimens after bending test

2.3　抗弯性能

图7为抗弯试验后试样的宏观照片。由侧弯试验结果可见，4片宽度为20 mm的侧弯试样上均未出现裂纹，表明焊接接头的抗弯性能合格。

2.4　冲击性能

图8为焊缝中心的韧脆转变温度曲线。通过拟合计算不同温度下焊缝中心冲击试样的脆性断口率，以脆性断口率为50%时对应的温度作为韧脆转变温度，得到焊缝中心的韧脆转变温度FATT为-17.0 ℃，这与文献中焊接接头焊缝的韧脆转变温度较为接近[13]，说明拟合得到的韧脆转变温度是准确且合理的。

图8　焊接接头焊缝中心的韧脆转变温度曲线Fig.8　Ductile- brittle transition temperature curve of the welded center

表3为室温下母材、焊缝中心、焊缝1/4处及热影响区的冲击吸收能量，可以看出室温下母材的冲击性能明显优于焊缝1/4处。母材及焊缝1/4处的冲击吸收能量均比较稳定，分别为252.4和43.8 J。热影响区的冲击吸收能量数据较为分散，最大及最小冲击吸收能量分别为6号试样的293.8 J和3号试样的56.3 J，因此选取了4个具有代表性的冲击试样(2、3、6、8号)，观察其断口附近的组织特征。如图9所示，4个试样在冲击过程中均发生了断裂路径的偏转，2号试样偏向了焊缝的柱状晶区，3号试样则完全沿焊缝的熔合线发生断裂，6号试样偏向了母材，8号试样断裂的路径一部分位于焊缝柱状晶区，而另一部分则沿焊缝的熔合线。对比可知热影响区冲击试样的断裂路径不同是造成其冲击性能差别较大的原因。

表3　室温下母材、焊缝中心、焊缝1/4处及热影响区的冲击吸收能量Table 3　Impact energies of the BM, welding center, 1/4 WM and HAZ at room temperature　J

图9　热影响区冲击试样断口附近的光镜图片(白色箭头为缺口位置)Fig.9　Optical images of location near the fracture of the impact specimen in HAZ (the white arrow represents the notch position)

图10为缺口在焊缝中心的试样在不同温度冲击试验后的断口微观形貌。可以看出,在-60 ℃时(见图10(a))，断口特征全部为解理平面；在0、20 ℃时，断口特征变为韧窝与解理平面同时存在，且随着温度的降低，韧窝的数量和尺寸均减小(见图10(b)～10(c))。在60 ℃时，断口特征全部为撕裂型韧窝(见图10(d))。随着温度由60 ℃降低到-60 ℃，冲击试样的断裂类型由韧性断裂转变为准解理断裂最后变为解理断裂，所以导致冲击吸收能量逐渐降低。

3　结论

(1)焊接接头在室温下的屈服强度和抗拉强度值最大，约为730和790 MPa，断后伸长率约为15%，断面收缩率约为68%。随着试验温度的升高，屈服强度和抗拉强度逐渐降低。但当温度高于200 ℃时逐渐趋于稳定，断后伸长率小幅度增加，但在300 ℃时明显降低，而断面收缩率随温度的升高无明显变化。不同温度下试样均断裂在焊缝中心。

(2)室温下母材的冲击吸收能量最高，均值约250 J，焊缝中心和1/4处的冲击吸收能量均值分别约97和44 J，热影响区的冲击吸收能量分散性较大，在56～293 J内波动，这主要是由裂纹的扩展路径产生偏折导致的。

图10　在-60 ℃(a)、0 ℃(b)、20 ℃(c)、60 ℃(d)冲击试验后下焊缝中心试样的断口形貌Fig.10　Fracture morphologies of the impact specimen taken from the welded center after impact testing at temperatures of -60 ℃(a),0 ℃(b),20 ℃(c) and 60 ℃(d)

(3)焊缝中心处的冲击吸收能量随试验温度的降低而减小，冲击试样的断裂类型由韧性断裂转变为准解理断裂最后变为解理断裂，其韧脆转变温度为-17 ℃。焊接接头的抗弯性能符合设计要求，表明基于多层多道技术的埋弧焊工艺是一种适合NiCrMoV转子钢的焊接方法。

致谢：

本文受上海市科学技术委员会科研计划项目资助(No.13DZ1101502)，谨以此致谢！

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