t91钢的性能及其焊接方法

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1、T91钢的性能及其焊接方法刘红文　聂　铭　陈顺强　　摘要　从理论和实践两个角度，探讨了T91钢有关的性能及其焊接工艺。　　1　引言　　近年来，我国电力工业飞速发展，电厂锅炉向大容量、高参数发展。按照国家电力公司的布署，从现在起到下世纪初，将逐步限制和取消中小型燃煤机组，300MW机组将成为各大电网的主力机组。300MW机组的高温过热器、高温再热器的最高实际壁温已超过了600℃，原先广泛应用于这些高温部件的12Cr1MoV钢高温强度、抗氧化性等均不能满足要求。T91钢以其优良的高温性能，在电站高温过热器

2、、高温再热器乃至主蒸汽管道上得到了越来越广泛的应用。但由于其焊接性较差，焊接时容易出现问题，因此探讨一套比较合理的焊接工艺十分必要。2　T91钢的有关性能2.1　合金化原理　　T91钢是美国国立像树岭实验室和美国燃烧工程公司冶金材料实验室合作研制的新型马氏体耐热钢。它是在9Cr1MoV钢的基础上降低含碳量，严格限制硫、磷的含量，添加少量的钒、铌元素进行合金化。根据ASTM213/A213M-85C,T91钢的化学成份见表1。　　与T91钢对应的德国钢号为X10CrMoVNNb91，日本钢号为HCM95

3、，法国则为TUZ10CDVNb0901。表1　T91钢的化学成份元素含量元素含量元素含量C0.08-0.12Si0.20-0.50Nb0.06-0.10Mn0.30-0.60Cr8.00-9.50N0.03-0.07P≤0.02Mo0.85-1.05Ni≤0.40S≤0.01V0.18-0.25%　　T91钢中各合金元素分别起到固溶强化、弥散强化和提高钢的抗氧化性、抗腐蚀性能，具体分析如下。　　①碳是钢中固溶强化作用最明显的元素，随含碳量的增加，钢的短时强度上升，塑性、韧性下降，对T91这类马氏体钢而

4、言，含碳量的上升会加快碳化物球化和聚集速度，加速合金元素的再分配，降低钢的焊接性、耐蚀性和抗氧化性，故耐热钢一般都希望降低含碳量，但含碳太低，钢的强度将降低。T91钢与12Cr1MoV钢相比，含碳量降低20%，这是综合考虑上述因素的影响而决定的。　　②T91钢中含微量氮，氮的作用体现在两个方面。一方面起固溶强化作用，常温下氮在钢中的溶解度很小，T91钢焊后热影响区在焊接加热和焊后热处理过程中，将先后出现VN的固溶和析出过程：焊接加热时热影响区内已形成的奥氏体组织由于VN的溶入，氮含量增加，此后常温组织

5、中的过饱和程度提高，在随后的焊后热处理中有细小的VN析出，这增加了组织稳定性，提高了热影响区的持久强度值。另一方面，T91钢中还含有少量A1，氮能与其形成A1N，A1N在1100℃以上才大量溶入基体，在较低温度下又重新析出，能起到较好的弥散强化效果。　　③加入铬主要是提高耐热钢的抗氧化性、抗腐蚀能力，含铬量小于5%时，600℃开始剧烈氧化，而含铬量达5%时就具有良好的抗氧化性。12Cr1MoV钢在580℃以下具有良好的抗氧化性，腐蚀深度为0.05mm/a，600℃时性能开始变差，腐蚀深度为0.13mm

6、/a。T91含铬量提高到9%左右，使用温度能达到650℃，主要措施就是使基体中溶有更多的铬。　　④钒与铌都是强碳化物形成元素，加入后能与碳形成细小而稳定的合金碳化物，有很强的弥散强化效果。　　⑤加入钼主要是为了提高钢的热强性，起到固溶强化的作用。2.2　热处理工艺　　T91的最终热处理为正火+高温回火，正火温度为1040℃，保温时间不少于10min，回火温度为730～780℃，保温时间不少于1h，最终热处理后的组织为回火马氏体。2.3　机械性能　　T91钢的常温抗拉强度≥585MPa，常温屈服强度≥4

7、15MPa，硬度≤250HB，伸长率(50mm标距的标准圆形试样)≥20%，许用应力值［σ]650℃=30MPa。2.4　焊接性能　　按照国际焊接学会推荐的碳当量公式算得T91的碳当量为　　　可见T91的焊接性较差。3　T91焊接时存在的问题3.1　热影响区淬硬组织的产生　　从图1可以看出，T91的临界冷却速度低，奥氏体稳定性很大，冷却时不易发生正常的珠光体转变，从而冷却到较低温度时发生了马氏体转变。正由于此，T91的淬硬和冷裂倾向很大。图1　T91钢的连续冷却曲线　　由于热影响区的各种组织具有不同的

8、密度、膨胀系数和不同的晶格形式，在加热和冷却过程中必然会伴有不同的体积膨胀和收缩；另一方面，由于焊接加热具有不均匀和温度高的特点，故而T91焊接接头内部应力很大。　　对于T91，奥氏体十分稳定，要冷却到较低温度(约400℃)才能变为马氏体。粗大的马氏体组织脆而硬，接头又处在复杂应力状态下。同时，焊缝冷却过程中氢由焊缝向近缝区扩散，氢的存在促使了马氏体脆化，其综合作用的结果，很容易在淬硬区产生冷裂纹。3.2　热影响区晶粒长大　　焊接热循环对焊接头热影响区的