印度理工学院Welding in the World：超级304H/T92异种多层焊缝显微组织及蠕变破坏的初步认识

印度理工学院的Nandha Kumar E、Ravi Sankar Kottada、G.D. Janaki Ram在《Welding in the World》期刊发表了一篇题为《A critical understanding on the microstructure and creep failure of Super304H/T92 dissimilar multilayer welds》的论文。采用ErNiCrFe-7A焊料，利用热丝气体钨极保护焊技术在奥氏体不锈钢Super304H与铁素体马氏体钢T92之间进行了异种焊接，同时，在焊接结束后对焊缝于760℃下进行2 h的焊后热处理(PWHT)，并进行650℃和120 MPa的蠕变试验。然后对焊接态、焊后热处理状态和蠕变条件下的焊缝组织进行了详细的表征，系统研究Super304H/T92异种焊缝在不同条件下各区域的显微组织和蠕变行为，找出Super304H/T92异种焊缝过早蠕变失效的根本原因，为异种焊缝使用寿命的提高带来一定的思考。

耐热奥氏体不锈钢 (Super304H)与铁素体马氏体钢ASME SA213 T92的异种焊接是先进超临界电厂的关键要求。现有研究表明，铁素体马氏体钢侧热影响区(HAZ)发生的过早蠕变破坏限制了奥氏体不锈钢与铁素体马氏体钢的使用寿命。然而，明确确定各HAZ子区的微观结构差异，准确识别失效区域一直是一项艰巨的挑战。这些焊缝的焊后热处理要求使各种热影响区分区之间的划分更加困难。此外，现今对焊接状态下各种HAZ子区的显微组织特征的关注仍然很少。因此，为了更深入地了解铁素体-马氏体钢焊缝中IV型裂纹现象的本质，基于对上述Super304H/T92异种焊缝现有文献的分析，本文主要研究了Super304H/T92异种焊缝在焊态和焊后热处理条件下各区域的显微组织特征、异种焊缝的蠕变行为以及蠕变试验中各区域的显微组织变化；最后还需要找出Super304H/T92异种焊缝过早蠕变失效的根本原因。

通过研究发现，Super304H/T92异种焊缝的蠕变破坏发生在T92合金的细晶热影响区(FGHAZ)。显微组织研究清楚地表明，在T92合金的FGHAZ中，马氏体板条组织加速退化，富铬碳化物粗化，有害Laves相形成是导致Super304H/T92异种焊缝过早蠕变失效的主要原因。此外，还详细讨论了T92合金FGHAZ中组织加速劣化是由于碳化物的析出造成的。

部分数据及图表如下：

图1 ERNiFeCr-7A焊料焊接Super304H/T92异种焊缝(长横截面)的宏观图。 图2 焊接金属中每道次沉积的铬、铁和镍的量(通过SEM-EDS获得)和ERNiCrFe-7A填充金属成分(未稀释)进行对比。 图3 T92侧HAZ的光学显微照片：(a) T92侧HAZ (b) CGHAZ，接近聚变边界 (c) CGHAZ，远离聚变边界 (d) FGHAZ (e) ICHAZ。 图4 PWHT后T92侧热影响区SEM-SE显微图像：(a)CGHAZ靠近聚变线(b)CGHAZ远离聚变线(c)在FGHAZ中，粗白色箭头代表包含着富铬碳化物的PAGBs(d)ICHAZ。 图5 PWHT后T92侧各热影响区富铬碳化物的数量、密度和尺寸(ECD:等效圆直径)。 图6 Super304H/T92异种焊缝在焊接、PWHTed和蠕压条件下的硬度分布图：(a) 整个焊件(b) T92侧（红色箭头表示蠕变破坏区域）。 图7 蠕变试验后T92侧各热影响区SEM-SE显微图：（a）CGHAZ靠近聚变线（b）CGHAZ远离聚变线（c）FGHAZ（d）ICHAZ，应力轴是水平的。 图8 焊接、PWHTed和蠕变条件下T92侧各HAZ子区的晶界取向偏差分布图。黑色箭头表示焊接状态下的δ铁素体，红色箭头表示蠕变状态下的蠕变空洞（在爬行显微照片中，应力轴是水平的）。 图9 焊接态、PWHTed和蠕变条件下T92侧各种HAZ子区的EBSD反极图(叠加高角晶界)：黑色箭头表示焊接时的δ-铁素体，白色箭头表示蠕变后的蠕变空洞，在爬行显微照片中应力轴是水平的。

主要结论：

采用ERNiCrFe-7A焊剂，成功地实现了奥氏体不锈钢Super304H与铁素体马氏体钢T92的异种焊接。焊缝在760°C下PWHTed 2 h，并在650°C和120 MPa下进行蠕变试验。对焊接态、PWHTed和蠕变条件下的焊缝组织进行了全面表征。根据不同焊缝的显微组织观察和蠕变断裂行为的相关性得出以下结论。

（1）ERNiCrFe-7A焊料可方便地用于Super304H/T92管的异种焊接。Super304H/T92异种焊缝在Super304H部分熔化的热影响区内表现出异常的晶粒组织。Super304H的PMZ或近HAZ区没有正常晶粒粗化，这是由于原来存在于贱金属晶界上的Nb(C,N)颗粒的组成液化所致。Super304H热影响区PMZ内的异常晶粒组织不影响接头的蠕变性能。

（2）Super304H/T92异种焊缝在760℃下PWHT 2 h后，合金Super304H侧沿晶界析出大量碳化铬，不利于合金的耐蚀性。即使在760°C PWHT处理2 h后，T92合金热影响区内的组织不均匀性仍然存在于晶粒形态和碳化物分布上。

（3）Super304H/T92异种焊缝较短的蠕变断裂寿命是由T92合金FGHAZ中的IV型开裂现象决定的。T92 FGHAZ合金中马氏体板条组织的加速退化、富铬碳化物的粗化和有害Laves相的形成是导致Super304H/T92异种焊缝过早蠕变失效的主要原因。

（4）FGHAZ中微观组织损伤的一个关键特征是，在该区域，PWHT过程中碳化物的析出并没有发生在最有利于析出的PAGs/空穴/板条边界上。因此，与其他HAZ子区和母材相比，FGHAZ从碳化物析出中获得的好处并不多，这使其更易受到蠕变损伤。

原文链接：https://doi.org/10.1007/s40194-023-01645-w