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    2. 固溶處理對不銹鋼管性能的影響

      主要研究固溶處理對新型奧氏體不銹鋼(ASME CODE CASE 23281)焊接接頭性能的影響。采用光學顯微鏡觀察和分析了焊縫的顯微組織;采用拉伸試驗機、彎曲試驗機測試了焊接接頭的機械性能。結果表明:經過固溶處理后,硬度下降,常溫抗拉強度提高,高溫抗拉強度下降,抗腐蝕能力明顯增強。

      隨著國民經濟的快速發展,到2020年全國裝機容量將達到95kW,其中火電裝機容量占70%以上。為了提高火力發電機組效率,鍋爐的運行溫度和壓力將顯著提高。為此,改善鍋爐用鋼及其焊接接頭的性能成為大型電站鍋爐制造業的關鍵技術之一。

      超超臨界(USC)鍋爐受熱面中的高溫過熱器、再熱器部件長期處于高溫高壓水蒸汽氧化、高溫煙氣中煤粉顆粒腐蝕的環境中,所用鋼材在滿足持久強度、蠕變強度要求的同時,還要滿足管子外壁抗煙氣腐蝕、抗飛灰沖蝕以及管子內壁抗蒸汽氧化等性能。

      針對高參數、大容量電站鍋爐的使用要求而最新開發的新型奧氏體不銹鋼ASME CODE CASE23281是日本住友金屬工業株式會社研制開發的新型奧氏體不銹鋼管,該不銹鋼管不僅具有優良的抗高溫腐蝕性,而且抗高溫蠕變強度較普通的奧氏體不銹鋼也顯著提高,持久斷裂性能更加穩定。

      1試驗材料和方法

      ASME CODE CASE 23281(01C18Cr9Ni3CuNbN)奧氏體不銹鋼管是在ASME SA213TP304H的基礎上加入適量阻止奧氏體晶粒長大的Cu、Nb、N等微量元素,使其具有較細的晶粒尺寸,從而達到高溫強度、長期塑性和抗腐蝕性能的最佳組合,其許用應力值比SA213TP347H提高約20%,這種優良的蠕變斷裂強度是通過細小的富銅相在奧氏體基體上的沉淀強化而獲得的。該鋼具有與細晶粒TP347HFG同樣優良的耐蒸汽腐蝕性能。由于ASME CODE CASE 23281不含有Mo,W等昂貴的化學元素,因此其使用經濟性要優于188鋼系列中的TP347H、TP321H。

      這種不銹鋼管在實際應用中,焊接接頭存在兩種使用狀態,一種是在焊接狀態下直接使用,一種是焊接接頭經過固溶處理后使用。為了研究固溶處理對焊接接頭組織和性能的影響,本研究對常溫和高溫兩種狀態下焊接接頭的力學性能、金相組織、硬度、塑性、耐蝕性能進行了系統比較。

      試驗采用不銹鋼管的規格為φ54 mm×14 mm,化學成分如表1所示,力學性能如表2所示;焊接接頭采用的填充金屬為ERNiCr3(ASME標準號),化學成分如表3所示。

      焊接接頭的坡口形式為V型,角度75°。試驗采用熱絲TIG焊,工藝參數如表4所示。

      2試驗結果與分析

      21焊接接頭的微觀組織

      本試驗中使用AXIOVERT 200 MAT顯微鏡(CCD圖像采集系統)進行金相組織觀察,圖1顯示的是兩種狀態下焊接接頭(包括焊縫、熱影響區、母材)組織的金相照片。由圖1可以看出,焊縫組織致密,未見氣孔、裂紋、夾渣等缺陷。熱影響區非常狹窄,這主要是因為在焊接過程中采用水冷裝置對焊接接頭噴水冷卻,嚴格控制了層間溫度,加速了焊接接頭的冷卻速度,縮短了焊縫在高溫區停留時間,同時也避免了焊接接頭因敏化而導致抗晶間腐蝕能力下降,保證了焊縫的使用性能。

      兩種狀態下母材的組織均為奧氏體,焊縫和熱影響區的組織為奧氏體+鐵素體,從微觀組織上分析,固溶處理對焊接接頭微觀組織的影響很小。從金相照片上可以看出,固溶處理對焊接接頭組織的影響不是很大,母材和熱影響區組織為奧氏體,焊縫組織為奧氏體和鐵素體,母材晶粒細小,熱影響區晶粒受到熱循環影響,晶粒過熱粗化長大而發生多邊形擠壓塑性變形,有的晶粒被拉長,成為不規則的多邊形。

      22焊接接頭硬度分析

      試驗采用HBRVU1875布洛維光學硬度計進行硬度測量。兩種狀態下焊接接頭不同位置的維氏硬度分布曲線如圖2所示。

      從圖2可以明顯看出,焊態下焊縫的硬度與母材和熱影響區的硬度相比略有降低,經過固溶處理后,母材的硬度略有降低,而熱影響區顯微硬度有了很大的下降,這主要是因為經過固溶處理后,熱影響區的奧氏體組織得到了充分的恢復,晶粒間的碳化物或者其他化合物固溶于奧氏體中,使熱影響區的韌性提高,硬度下降。焊縫區的硬度經過固溶處理后下降最為明顯,因為焊接接頭采用的填充材料是ERNiCr3,屬于鎳基合金,焊縫區的組織為奧氏體+鐵素體,經過固溶處理后,焊縫中的一部分碳元素以化合物的形式固溶于奧氏體晶格中,導致焊縫中的鐵素體含量大大減少,因此硬度降低。

      23常溫性能分析

      焊接接頭的常溫力學性能按照《蒸汽鍋爐安全技術監察規程》和ASME的室溫拉伸試驗方法測定,在AG10TA萬能試驗拉伸機進行試驗,兩種狀態的焊接接頭的測試結果均滿足標準要求,試樣均斷于母材。

      焊態和固溶處理后焊接接頭的抗拉強度如圖3所示,兩種焊接接頭的常溫抗拉強度均高于母材要求的最低值,試驗結果合格。從圖3中可看出,經固溶處理后,焊接接頭的抗拉強度有了明顯的提高,這主要是因為經過固溶處理后,焊縫和熱影響區的組織更加均勻,焊縫中鐵素體數量減少,奧氏體數量增加,固溶處理減少了晶間碳化物和其他化合物的存在,因此抗拉強度有所提高。

      24高溫性能分析

      由于這種新型奧氏體不銹鋼主要用于超超臨界的過熱器、再熱器等高溫部件中,因此本研究中對焊接接頭的高溫性能進行了試驗。根據這種材料在鍋爐中的使用溫度,確定了在620℃、650℃、700℃三個溫度下進行高溫短時拉伸試驗,測試焊縫和母材在高溫下的抗拉強度和屈服極限。

      試樣按照GBT43381995加工M126h圓形拉力棒,以焊接接頭一側熱影響區為中心,如圖4所示。

      從圖5可以看出,拉伸試樣頸縮和斷裂位置均發生在母材區域,說明這種新型奧氏體不銹鋼焊接接頭的高溫強度高于母材,因為焊接接頭采用鎳基焊材作為填充金屬,而鎳基合金的典型特征就是具有優良的高溫力學性能。

      從圖6可以看出,ASME CODE CASE 23281焊接接頭高溫短時抗拉強度、屈服極限均隨試驗溫度的升高而降低。由屈服極限和抗拉強度的對比結果可以看出,經過固溶處理后,抗拉強度和屈服極限均有所降低,但是強度值的變化不大。

      25抗腐蝕能力分析

      對于材料的晶間腐蝕性能,通過對焊態接頭和經過固溶處理后的焊接接頭按照國家標準GBT433452000采用H 2 SO 4CuSO 4溶液腐蝕后,再通過彎曲試驗來分析固溶處理對材料抗腐蝕能力的影響。圖7是經過晶間腐蝕后進行彎曲試驗試樣的照片,通過對彎曲試樣彎曲部位的分析可知,經過固溶處理后,熱影響區的抗晶間腐蝕能力有了明顯的提高。

      引起奧氏體不銹鋼焊縫和熱影響區抗腐蝕能力降低的主要原因是鐵素體含量和晶間貧鉻,焊縫和熱影響區的鐵素體含量過高和鉻含量減少,都會降低奧氏體不銹鋼的抗腐蝕能力,經過固溶處理后,熱影響區中晶間的碳化物和其他化合物已經固溶于奧氏體晶格中,晶間的碳化物和其他化合物的含量大大減少,因此熱影響區的抗腐蝕能力增強。

      3結論

      通過金相分析、力學性能和腐蝕試驗研究了焊接接頭的顯微組織、力學性能和抗腐蝕能力。結果表明:固溶處理對組織的影響不是很大,母材與熱影響區的顯微組織均為奧氏體,焊縫的顯微組織為奧氏體+鐵素體,經過固溶處理后,焊縫、母材、熱影響區的硬度均有所下降,常溫抗拉強度提高,高溫拉伸性能降低,抗腐蝕能力增強。

      文章作者:不銹鋼管|304不銹鋼無縫管|316L不銹鋼厚壁管|不銹鋼小管|大口徑不銹鋼管|小口徑厚壁鋼管

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