趙雙群，李 強(qiáng)，符 銳，王延峰

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，上海 200240)

燃煤電站機(jī)組蒸汽壓力和溫度的提高對提高機(jī)組效率和降低CO2、SOx、NOx以及粉塵等的排放量，具有積極意義。21世紀(jì)開始，我國電站蒸汽參數(shù)已由亞臨界為主，穩(wěn)步過渡到以超臨界和超超臨界為主。近年來我國新增燃煤機(jī)組的參數(shù)級別均為超超臨界，為節(jié)能減排做出了顯著的貢獻(xiàn)。在這一進(jìn)程中，700 ℃先進(jìn)超超臨界機(jī)組的研發(fā)也在如火如荼地進(jìn)行中。歐盟、美國、日本和中國都先后啟動了700 ℃先進(jìn)超超臨界機(jī)組的研發(fā)計劃[1-4]。關(guān)鍵高溫部件材料的研發(fā)是各國研發(fā)計劃的重中之重，這其中就包括了鍋爐高溫段過熱器和再熱器管材的選擇和研發(fā)[5]。由于現(xiàn)有電力、航空和石化行業(yè)所用的耐高溫、耐腐蝕材料(包括新型奧氏體鋼[6]和鎳基合金)不能滿足700 ℃先進(jìn)超超臨界機(jī)組鍋爐對強(qiáng)度和耐高溫腐蝕的要求，美國最先研發(fā)了鎳基高溫合金Inconel 740H[7]，并利用了新研發(fā)的燃?xì)廨啓C(jī)材料Haynes 282合金[8]。經(jīng)初步試驗(yàn)驗(yàn)證，兩種合金可以滿足鍋爐過熱器和再熱器管材的基本要求。我國在實(shí)施700 ℃先進(jìn)超超臨界機(jī)組研發(fā)計劃時，也將鍋爐過熱器和再熱器管用高溫材料的研發(fā)作為研發(fā)的重點(diǎn)之一。筆者針對這一需求，研發(fā)了一種適用于700 ℃超超臨界鍋爐高溫段過熱器、再熱器管，具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的新型鎳基高溫合金GH750，結(jié)果表明其可以滿足鍋爐過熱器和再熱器管用材料對高溫長期持久強(qiáng)度和耐腐蝕性能的要求[9]。

高溫合金類材料的合金化程度高，成分組成中含有較多的固溶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化元素，如Mo、W、Nb、Ti和Al等，鑄態(tài)組織中不可避免會存在合金元素的偏析，因此對合金中起強(qiáng)化作用的元素的偏析需要特別關(guān)注。鎳基合金管作為過熱器管使用時必須通過焊接進(jìn)行連接，焊縫組織也為鑄態(tài)組織，焊縫的組織和性能變化是鎳基合金管在實(shí)際應(yīng)用時需要重視的問題之一。筆者選擇Inconel 740H作為GH750管材的焊接材料，通過焊接試驗(yàn)研究了Inconel 740H焊材的焊接凝固行為和焊縫金屬在高溫時的組織變化，為GH750過熱器管的焊接應(yīng)用，如焊材選擇和焊接工藝參數(shù)的選擇，以及焊接過程的控制等提供參考。

1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用Inconel 740H焊絲和GH750管材的化學(xué)成分見表1。

表1 Inconel 740H焊絲和GH750管材的化學(xué)成分 %

采用手工氬弧焊方法進(jìn)行焊接，焊接保護(hù)氣氛為體積分?jǐn)?shù)為75%的Ar+體積分?jǐn)?shù)為25%的He(簡稱75%Ar+25%He)。焊接前GH750過熱器管的熱處理狀態(tài)為固溶處理態(tài)，焊接后對焊接接頭的熱處理制度為800 ℃時效4 h。

對進(jìn)行焊后熱處理前后的焊接接頭切取小試樣并研磨和拋光后，利用顯微硬度計測試了橫跨整個焊接接頭的硬度分布；利用掃描電鏡和能譜儀對進(jìn)行了焊后熱處理的焊接接頭的顯微組織和元素分布情況進(jìn)行分析；進(jìn)一步對焊接接頭在760 ℃和800 ℃時效3 000 h后的組織變化進(jìn)行研究。利用熱力學(xué)計算軟件Thermo-calc模擬研究了Inconel 740H合金的平衡組織和焊接凝固時的元素偏析狀況。

2 結(jié)果和討論

2.1 Inconel 740H合金平衡相

圖1是Inconel 740H合金平衡態(tài)相組成的熱力學(xué)計算結(jié)果。

由圖1可以看出：Inconel 740H合金中的析出相有γ’相、σ相和η相，以及碳化物MC和M23C6。γ’相的穩(wěn)定溫度在968 ℃以下，σ相在695 ℃以下形成，η相在863～1 061 ℃析出。Inconel 740H合金在700～850 ℃的可能應(yīng)用范圍內(nèi)，組織穩(wěn)定性預(yù)期良好，合金只有γ’相析出，析出質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%～20%。熱力學(xué)計算也顯示γ’相的組成為Ni3(Nb,Ti,Al)型，η相的組成為Ni3(Ti，Nb)型，碳化物的組成分別為(Nb,Ti)C和Cr23C6型。合金中Nb、Ti和Al的含量對析出相的析出行為影響顯著。

圖1 Inconel 740H合金熱力學(xué)平衡態(tài)相圖

2.2 焊接接頭硬度

圖2是GH750管焊接接頭焊后硬度分布結(jié)果，固溶態(tài)GH750母材的硬度為210HV0.2左右，熱影響區(qū)和熔敷金屬區(qū)域的硬度明顯高于母材，且以熱影響區(qū)的硬度最高，達(dá)320HV0.2。

圖2 GH750管固溶態(tài)焊接后焊縫區(qū)硬度分布

因焊接過程中Inconel 740H熔敷金屬溫度高，使得Inconel 740H熔敷金屬和兩側(cè)GH750管的熱影響區(qū)受到加熱效應(yīng)影響，析出了微量的γ’相，故焊縫區(qū)的硬度高于母材。另外，仔細(xì)分析觀察也發(fā)現(xiàn)，熱影響區(qū)沒有出現(xiàn)粗晶粒區(qū)域，這可能與GH750母材的本身的晶?？刂朴嘘P(guān)，母材實(shí)際平均晶粒度級別為3.5級，焊縫熱量尚不足以使其發(fā)生晶粒長大而形成明顯的粗晶。

圖3是焊接接頭在800 ℃時效4 h后的硬度分布曲線。

圖3 GH750管固溶態(tài)焊接+時效后焊縫區(qū)硬度分布

經(jīng)時效后，母材析出強(qiáng)化效果明顯，硬度升高，熔敷金屬和熱影響區(qū)的硬度也有升高。焊縫區(qū)域因組織均勻性差而硬度波動稍大?？傮w上，母材、熱影響區(qū)和熔敷金屬區(qū)的硬度均在330HV0.2～350HV0.2，差別不大。

2.3 焊縫組織及偏析

Inconel 740H熔敷金屬的顯微組織見圖4。

圖4 Inconel 740H焊縫凝固組織和枝晶干與枝晶間元素分布

由圖4可以看出：凝固枝晶組織特征非常明顯，在枝晶間分布著白色顆粒狀的MC型碳化物和非常微小的γ’相；Inconel 740H凝固組織的偏析主要是Ti和Nb元素在枝晶間的偏析和Ni、Co基體元素在枝晶間的貧化。

圖5是能譜儀分析焊縫邊緣區(qū)域的元素面分布結(jié)果。

圖5 Inconel 740H焊縫金屬元素偏析分布

由圖5可以看出：凝固組織中強(qiáng)化元素Ti、Nb等的偏析情況，以及母材和焊材中的基體元素Ni、Co和Cr的區(qū)別。特別指出的是，在利用能譜儀進(jìn)行元素分析時，因Nb元素和Mo元素二者的能譜峰比較接近而重疊，很難準(zhǔn)確將二者的分布和含量確定，故面分布圖中Nb元素在枝晶間的偏析現(xiàn)象不突出。

2.4 焊縫凝固過程熱力學(xué)模擬

利用熱力學(xué)軟件Thermo-calc中的Scheil凝固模型計算了Inconel 740H合金凝固過程中元素的偏析結(jié)果。圖6為得到的液相物質(zhì)的量和液相中成分變化之間的規(guī)律。

圖6 Inconel 740H焊縫金屬凝固過程元素變化

合金凝固過程一般較快，熱力學(xué)模擬時通常假定液相中溶質(zhì)可以充分?jǐn)U散，而固相中原子無擴(kuò)散。在Inconel 740H的成分組成中，凝固過程中Nb、Ti元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨液相物質(zhì)的量的減少呈現(xiàn)增加趨勢，是所謂的“正偏析”元素；Cr、Co等基體元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨液相物質(zhì)的量的減少而呈減少趨勢，即Nb、Ti等溶質(zhì)元素從溶劑中析出，最終偏析于液相最后凝固區(qū)域枝晶間，Cr、Co等元素則偏析于先凝固的組織枝晶干。Nb元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)在液相物質(zhì)的量約7%、Ti元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)在液相物質(zhì)的量約13%時的曲線變化是由于在凝固過程中，MC型碳化物在液相中已開始析出所致。Al元素凝固過程中在液相中變化一直很微小，僅在接近凝固終了時在液相中有微小的偏析。另外，計算結(jié)果也顯示，Mo元素也在枝晶間偏析，因其在合金中的含量少，故未在圖中畫出。

利用Inconel 740H凝固組織枝晶干和枝晶間元素含量的能譜儀統(tǒng)計分析結(jié)果，計算了強(qiáng)化元素Nb、Ti偏析處枝晶間組織的平衡態(tài)相組成(見圖7)。由圖7可以看出：γ’相穩(wěn)定溫度在940 ℃以下，η相在1 165 ℃以下形成。平衡態(tài)時η相析出溫度范圍和含量比圖1所得到的結(jié)果都有明顯提高，這是由于Nb、Ti元素在枝晶間偏析的結(jié)果。同時，由于Nb、Ti在枝晶間的偏析和γ’+η相質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，使得基體中Cr、Co和Mo等元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對增加，導(dǎo)致了σ相的析出溫度也相應(yīng)提高。

圖7 Inconel 740H焊縫枝晶間平衡態(tài)相

2.5 焊縫顯微組織變化

圖8和圖9分別是焊縫Inconel 740H熔敷金屬在760 ℃和800 ℃時效3 000 h后的顯微組織。析出相相對聚集的區(qū)域和出現(xiàn)塊狀或條狀析出相的晶界區(qū)域?qū)?yīng)于圖4中的淺色區(qū)域。由于高溫下長時間的時效，γ’相在凝固組織枝晶間形成了明顯的富集現(xiàn)象，與枝晶干區(qū)域稀疏分布的γ’相顆粒分布形成了鮮明的對比。同時，在凝固組織的晶界處，發(fā)現(xiàn)不僅有γ’相顆粒明顯聚集，也有少量的較大塊狀和條狀的第二相形成。能譜儀成分分析結(jié)果顯示，這些相富含Nb、Ti元素，為η相。這些結(jié)果與圖6和圖7熱力學(xué)計算得到的結(jié)果相一致，即凝固過程中Nb、Ti等元素在枝晶間偏析，局部處于熱力學(xué)平衡態(tài)會形成數(shù)量較多的γ’相，并有η相析出相。隨著時效時間的延長，在強(qiáng)化元素偏析的枝晶間處，會有較多的η相形成。正常情況下，Inconel 740H合金在760 ℃和800 ℃長期時效和蠕變過程中未發(fā)現(xiàn)有η相形成[10]。

圖8 Inconel 740H焊縫金屬760 ℃時效3 000 h顯微組織

圖9 Inconel 740H焊縫金屬800 ℃時效3 000 h顯微組織

3 結(jié)語

經(jīng)過采用Inconel 740H焊材對新型鎳基合金GH750過熱器管進(jìn)行焊接試驗(yàn)研究，可以得出以下結(jié)論：

(1) 過熱器管在固溶態(tài)焊接后，焊縫區(qū)域的硬度高于母材；經(jīng)過時效處理后，焊縫區(qū)域和母材的硬度趨于相同，但焊縫金屬的硬度波動性略大。

(2) 焊接后Inconel 740H熔覆組織未對GH750母材產(chǎn)生明顯影響，熱影響區(qū)未發(fā)現(xiàn)粗晶組織。

(3) Inconel 740H焊縫組織形成了明顯的元素偏析，Nb、Ti等元素偏析于凝固組織枝晶間處，從而在枝晶間處析出較多的γ’相和碳化物。熱力學(xué)計算模擬結(jié)果也表明強(qiáng)化元素Nb、Ti等在凝固過程中會在液相中形成偏析現(xiàn)象，而最終在枝晶間偏析凝固，與試驗(yàn)結(jié)果一致。

(4) Inconel 740H焊縫組織在760 ℃和800 ℃高溫時效后，γ’相在枝晶間出現(xiàn)顯著的長大和聚集現(xiàn)象，并因Nb、Ti元素的偏析形成了η相。