摘 要:借助光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、能譜儀、聚焦離子束和透射電鏡等設(shè)備,研究了P91和P92 馬氏體耐熱鋼埋弧焊焊縫中黑線的分布特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)特征和形成原因。結(jié)果表明:黑線長(zhǎng)短不一,主 要位于焊縫的柱狀晶之間,由線狀排列的面心立方 M23C6 碳化物組成,形成原因是焊接過(guò)程中Cr 和 Mo等元素在柱狀晶間偏聚,焊后熱處理時(shí) M23C6 碳化物在柱狀晶晶界析出,腐蝕后在光學(xué)顯微 鏡下呈黑色線狀。

關(guān)鍵詞:P91鋼;P92鋼;焊縫;黑線;M23C6 碳化物

中圖分類號(hào):TB31 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1001-4012(2023)01-0008-05

P91和P92馬氏體耐熱鋼具有良好的高溫持久 強(qiáng)度和較好的抗氧化性,廣泛應(yīng)用于火力發(fā)電機(jī)組 鍋爐集箱、蒸汽管道等[1-2]。P91和P92馬氏體鋼焊 縫中經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)線狀物質(zhì),形似裂紋,在光學(xué)顯微鏡 下呈黑色(以下稱黑線)。目前,對(duì)黑線化學(xué)成分和 形成環(huán)節(jié)的研究較多[3],但未見對(duì)黑線的分布特點(diǎn)、 結(jié)構(gòu)特征、形成原因等進(jìn)行深入研究的報(bào)道。為此, 筆者通過(guò)試驗(yàn)對(duì)埋弧自動(dòng)焊的 P91鋼和 P92鋼焊 縫黑線進(jìn)行微觀分析,研究了黑線的分布特點(diǎn)、結(jié)構(gòu) 特征、形成原因等,以期為解決工程質(zhì)量爭(zhēng)議提供技 術(shù)依據(jù)。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

P91鋼管和P92鋼管的坡口均為 U 型坡口,焊 前預(yù)熱溫度為200~250℃,手工鎢極氬弧焊裝點(diǎn)并 打底,焊條采用手工電弧焊過(guò)渡,其余部分采用埋弧 自動(dòng)焊,焊接速率為20cm/min~50cm/min,焊后 熱處理溫度為(760±10)℃,保溫時(shí)間為5h。母材 和焊材的具體尺寸如表1所示。

鋼管對(duì)接焊后,按圓周方向均分為4個(gè)試樣,依 次編號(hào)為1# ~4# (見圖1),其中1# 試樣焊態(tài)不進(jìn) 行熱處理,2# ~4# 試樣均進(jìn)行760 ℃的焊后熱處 理,然后取全厚度焊縫試樣(見圖2)、金相檢驗(yàn)試樣 (三氯化鐵+鹽酸溶液擦拭腐蝕或體積分?jǐn)?shù)為10% 硫酸溶液電解腐蝕)、透射電鏡(TEM)試樣(用聚焦 離子束取樣)。

1.2 試驗(yàn)方法

對(duì)焊態(tài)和焊后熱處理態(tài)試樣的微觀形貌進(jìn)行分 析,確認(rèn)黑線的產(chǎn)生環(huán)節(jié)是否與焊后熱處理有關(guān);用 NIKON MA300型光學(xué)顯微鏡觀察試樣的全厚度 區(qū)域(打底部位、中部和蓋面部位),確認(rèn)黑線的分布 特點(diǎn);選擇焊縫中典型的黑線,用JSM-6610型掃描 電子顯微鏡(SEM)、能譜儀(EDS)、TEM 及選區(qū)電 子衍射(SAED)等方法進(jìn)行分析,確定黑線的化學(xué) 成分和結(jié)構(gòu)特征。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 焊態(tài)與熱處理態(tài)

P91-1試樣焊態(tài)未發(fā)現(xiàn)黑線[見圖3a)~3c)]; 760℃焊后熱處理后,P91-1試樣熱處理態(tài)的近打底 部位、中部和近蓋面部位均可見黑線,且不同位置的 黑線形貌特征無(wú)明顯差異[見圖3d)~3f)]。

2.2 黑線的分布及特征

將P91-1和P92-1試樣經(jīng)三氯化鐵+鹽酸溶液 腐蝕后,在光學(xué)顯微鏡下觀察,結(jié)果如圖4所示。由 圖4可知:P91-1和 P92-1試樣全焊縫范圍內(nèi)均可 見黑線,主要分布于柱狀晶之間,但非均勻分布,且 黑線長(zhǎng)度為0.05~2mm。

將三氯化鐵 + 鹽酸溶液腐蝕后的 P91-1 和 P92-1試樣進(jìn)行SEM 分析,發(fā)現(xiàn)在黑線位置可見線 狀排列的顆粒狀析出物[見圖5a),5b)];將 P91-2 和P92-2試樣經(jīng)10%硫酸溶液電解腐蝕后進(jìn)行 SEM 分析,可見試樣表面上有許多析出物顆粒,含 有黑線的析出物均已脫落,脫落后形成的坑呈線狀 排列,形似裂紋[見圖5c),5d)]。

2.3 黑線的成分與結(jié)構(gòu)

2.3.1 P91-1試樣

對(duì)P91-1試樣黑線處進(jìn)行EDS分析,結(jié)果如圖 6所示。由圖6可知:黑線富含Cr、Mo、Mn、V等元 素;位置1~4處的Cr、Mo、Mn、V 等元素含量遠(yuǎn)高 于基體(位置5~6)處,與晶界析出物(位置3)基本 相同,析出物為 M23C6 [4]。為了分析黑線(析出物) 的結(jié)構(gòu),選取了其中較大的析出物顆粒進(jìn)行SAED分析,分析位置如圖6a)所示,結(jié)果顯示析出物為面 心立方結(jié)構(gòu)。

對(duì)P91-1試樣馬氏體板條束形貌處進(jìn)行 EDS 分析,結(jié)果如圖7所示,可見位置1和5處析出物含 有大量 Cr、Mo、Mn、V 等元素,遠(yuǎn)高于基體(位置 2~4)處。

2.3.2 P92-1試樣

對(duì)P92-1試樣黑線處進(jìn)行EDS分析,結(jié)果如圖 8所示,可見黑線處有大量顆粒狀析出物,析出物 (位置1~2)的 Cr、Mo、W 等元素含量遠(yuǎn)高于基體 (位置5)處,與晶界析出物(位置3)基本相同,析出 物為 M23C6 [5-6]。選取了其中的較大析出物顆粒進(jìn) 行SAED分析,結(jié)果如圖9所示,可見析出物為面 心立方結(jié)構(gòu)。

3 綜合分析

P91鋼和P92鋼焊縫組織為不同位向的馬氏體 板條束和馬氏體板條。晶界上主要由塊狀、條狀和 小的顆粒狀析出相組成,而馬氏體板條界上主要為 細(xì)小條狀(或棒狀)和粒狀析出相,板條內(nèi)有許多細(xì) 小的析出相,呈一定位向排列。P91鋼和P92鋼的 析出相主要是 M23C6,M7C3,M6C和 MX 等,其中 M23C6 為主要的析出物,M23C6 具有復(fù)雜的面心立 方結(jié)構(gòu),金屬原子團(tuán) M 主要是 Cr原子團(tuán),可溶解 Fe、Co、Ni、W、Mo等元素[6]。

760℃焊后熱處理后,焊縫中發(fā)現(xiàn)了黑線,表明 黑線與焊后熱處理時(shí)的析出相有關(guān)。黑線可通過(guò)正 火熱處理消除,證實(shí)了黑線為析出相,可以回溶至基體。

由SEM 和TEM 分析結(jié)果可知,黑線位置存在 線狀排列的顆粒物,說(shuō)明黑線不是裂紋,而是馬氏體 焊縫組織析出物。EDS分析發(fā)現(xiàn)黑線富含Cr、Mo、 Mn、V等元素,與晶界或板條界的 M23C6 析出物化 學(xué)成分基本相同。黑線位置析出物顆粒的 SAED 分析結(jié)果顯示,析出物為面心立方結(jié)構(gòu)。從黑線的 微觀形貌、化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)可以判定,黑線為線狀排 列的 M23C6(M 為Cr、Fe、Mo等原子團(tuán))碳化物。

黑線的形成原因?yàn)?P91鋼和P92鋼焊接過(guò)程 中,Cr和 Mo等元素在柱狀晶之間偏聚,焊后熱處理時(shí) M23C6 碳化物在柱狀晶晶界析出,呈線狀排 列。M23C6 碳化物與周圍基體的化學(xué)電位不同,腐 蝕過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)選擇性腐蝕,在光學(xué)顯微鏡下觀察 呈黑色線狀,即黑線。

4 結(jié)論

(1)P91鋼和P92鋼的全焊縫范圍內(nèi)均存在黑 線,主要位于柱狀晶之間。黑線并非裂紋,為焊后熱 處理時(shí)析出的線狀排列 M23C6 碳化物。

(2)P91鋼和 P92鋼焊接冶金過(guò)程中,Cr和 Mo等元素在柱狀晶之間偏聚,并在焊后熱處理時(shí)以 M23C6 碳化物的形式在柱狀晶晶界析出,呈線狀 排列,腐蝕后在光學(xué)顯微鏡下呈現(xiàn)黑色。

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