曾凡伟,谢逍原,昌 佳,杨华春,高淼淼
(东方电气集团 东方锅炉股份有限公司,自贡 643001)
P91和P92马氏体耐热钢具有良好的高温持久强度和较好的抗氧化性,广泛应用于火力发电机组锅炉集箱、蒸汽管道等[1-2]。P91和P92马氏体钢焊缝中经常会发现线状物质,形似裂纹,在光学显微镜下呈黑色(以下称黑线)。目前,对黑线化学成分和形成环节的研究较多[3],但未见对黑线的分布特点、结构特征、形成原因等进行深入研究的报道。为此,笔者通过试验对埋弧自动焊的P91钢和P92钢焊缝黑线进行微观分析,研究了黑线的分布特点、结构特征、形成原因等,以期为解决工程质量争议提供技术依据。
P91钢管和P92钢管的坡口均为U型坡口,焊前预热温度为200~250 ℃,手工钨极氩弧焊装点并打底,焊条采用手工电弧焊过渡,其余部分采用埋弧自动焊,焊接速率为20 cm/min~50 cm/min,焊后热处理温度为(760±10) ℃,保温时间为5 h。母材和焊材的具体尺寸如表1所示。
表1 母材和焊材的具体尺寸
钢管对接焊后,按圆周方向均分为4个试样,依次编号为1#~4#(见图1),其中1#试样焊态不进行热处理,2#~4#试样均进行760 ℃的焊后热处理,然后取全厚度焊缝试样(见图2)、金相检验试样(三氯化铁+盐酸溶液擦拭腐蚀或体积分数为10%硫酸溶液电解腐蚀)、透射电镜(TEM)试样(用聚焦离子束取样)。
图1 钢管对接焊缝解剖示意
图2 钢管对接焊全厚度焊缝试样取样示意
对焊态和焊后热处理态试样的微观形貌进行分析,确认黑线的产生环节是否与焊后热处理有关;用NIKON MA300型光学显微镜观察试样的全厚度区域(打底部位、中部和盖面部位),确认黑线的分布特点;选择焊缝中典型的黑线,用JSM-6610型扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、TEM及选区电子衍射(SAED)等方法进行分析,确定黑线的化学成分和结构特征。
P91-1试样焊态未发现黑线[见图3a)~3c)];760 ℃焊后热处理后,P91-1试样热处理态的近打底部位、中部和近盖面部位均可见黑线,且不同位置的黑线形貌特征无明显差异[见图3d)~3f)]。
图3 P91-1试样焊态和热处理态的显微组织形貌
将P91-1和P92-1试样经三氯化铁+盐酸溶液腐蚀后,在光学显微镜下观察,结果如图4所示。由图4可知:P91-1和P92-1试样全焊缝范围内均可见黑线,主要分布于柱状晶之间,但非均匀分布,且黑线长度为0.05~2 mm。
图4 三氯化铁+盐酸溶液腐蚀后P91-1和P92-1试样的显微组织形貌
将三氯化铁+盐酸溶液腐蚀后的P91-1和P92-1试样进行SEM分析,发现在黑线位置可见线状排列的颗粒状析出物[见图5a),5b)];将P91-2和P92-2试样经10%硫酸溶液电解腐蚀后进行SEM分析,可见试样表面上有许多析出物颗粒,含有黑线的析出物均已脱落,脱落后形成的坑呈线状排列,形似裂纹[见图5c),5d)]。
图5 不同腐蚀方式腐蚀后P91钢和P92钢试样的SEM形貌
2.3.1 P91-1试样
对P91-1试样黑线处进行EDS分析,结果如图6所示。由图6可知:黑线富含Cr、Mo、Mn、V等元素;位置1~4处的Cr、Mo、Mn、V等元素含量远高于基体(位置5~6)处,与晶界析出物(位置3)基本相同,析出物为M23C6[4]。为了分析黑线(析出物)的结构,选取了其中较大的析出物颗粒进行SAED分析,分析位置如图6a)所示,结果显示析出物为面心立方结构。
图6 P91-1试样黑线处的 EDS分析结果
对P91-1试样马氏体板条束形貌处进行EDS分析,结果如图7所示,可见位置1和5处析出物含有大量Cr、Mo、Mn、V等元素,远高于基体(位置2~4)处。
图7 P91-1试样马氏体板条束形貌处的 EDS分析结果
2.3.2 P92-1试样
对P92-1试样黑线处进行EDS分析,结果如图8所示,可见黑线处有大量颗粒状析出物,析出物(位置1~2)的Cr、Mo、W等元素含量远高于基体(位置5)处,与晶界析出物(位置3)基本相同,析出物为M23C6[5-6]。选取了其中的较大析出物颗粒进行SAED分析,结果如图9所示,可见析出物为面心立方结构。
图8 P92-1试样黑线处的 EDS分析结果
图9 P92-1试样析出物颗粒的SAED分析结果
P91钢和P92钢焊缝组织为不同位向的马氏体板条束和马氏体板条。晶界上主要由块状、条状和小的颗粒状析出相组成,而马氏体板条界上主要为细小条状(或棒状)和粒状析出相,板条内有许多细小的析出相,呈一定位向排列。P91钢和P92钢的析出相主要是M23C6,M7C3,M6C和MX等,其中M23C6为主要的析出物,M23C6具有复杂的面心立方结构,金属原子团M主要是Cr原子团,可溶解Fe、Co、Ni、W、Mo等元素[6]。
760 ℃焊后热处理后,焊缝中发现了黑线,表明黑线与焊后热处理时的析出相有关。黑线可通过正火热处理消除,证实了黑线为析出相,可以回溶至基体。
由SEM和TEM分析结果可知,黑线位置存在线状排列的颗粒物,说明黑线不是裂纹,而是马氏体焊缝组织析出物。EDS分析发现黑线富含Cr、Mo、Mn、V等元素,与晶界或板条界的M23C6析出物化学成分基本相同。黑线位置析出物颗粒的SAED分析结果显示,析出物为面心立方结构。从黑线的微观形貌、化学成分和结构可以判定,黑线为线状排列的M23C6(M为Cr、Fe、Mo等原子团)碳化物。
黑线的形成原因为:P91钢和P92钢焊接过程中,Cr和Mo等元素在柱状晶之间偏聚,焊后热处理时M23C6碳化物在柱状晶晶界析出,呈线状排列。M23C6碳化物与周围基体的化学电位不同,腐蚀过程中会出现选择性腐蚀,在光学显微镜下观察呈黑色线状,即黑线。
(1) P91钢和P92钢的全焊缝范围内均存在黑线,主要位于柱状晶之间。黑线并非裂纹,为焊后热处理时析出的线状排列M23C6碳化物。
(2) P91钢和P92钢焊接冶金过程中,Cr和Mo等元素在柱状晶之间偏聚,并在焊后热处理时以M23C6碳化物的形式在柱状晶晶界析出,呈线状排列,腐蚀后在光学显微镜下呈现黑色。