G115鋼真空電子束焊接接頭630°C高溫蠕變行為分析綜述

1  引言

G115鋼是中國自主研發(fā)的新型馬氏體耐熱鋼，在630±20°C高溫蒸汽條件下具有良好的顯微組織穩(wěn)定性、持久蠕變強(qiáng)度和抗氧化性能，已廣泛應(yīng)用于630°C超超臨界機(jī)組再熱蒸汽入口管道及中壓空氣閥等高溫部件。作為關(guān)鍵的高溫結(jié)構(gòu)材料，G115鋼焊接接頭的性能直接關(guān)系到發(fā)電機(jī)組的安全高效運(yùn)行。目前關(guān)于G115鋼的研究主要集中在母材的高溫性能方面，而對其焊接接頭微觀組織特征和高溫蠕變行為的研究較為匱乏。真空電子束焊接（VEBW）作為一種高能束焊接技術(shù)，具有能量密度高、熱影響區(qū)窄、焊接變形小等優(yōu)點(diǎn)，適用于高質(zhì)量焊接接頭的制備。

針對上述問題，章友誼和茍國慶在AIP Advances期刊(2025年第15卷，第5期)上發(fā)布了名為“Analysis of the high temperature creep behavior of a vacuum electron beam welded joint of G115 steel at 630?°C"的論文。本文綜述了采用VEBW制備G115鋼焊接接頭，并系統(tǒng)研究其在630°C、不同應(yīng)力水平下高溫蠕變行為的工作，重點(diǎn)分析了接頭微觀組織、蠕變變形規(guī)律及斷裂機(jī)制。

2  材料與方法

試驗(yàn)采用經(jīng)正火+回火熱處理的G115馬氏體耐熱鋼，正火溫度1080°C，水冷2 h；回火溫度780°C，空冷4.5 h。采用ZD150-60C高壓真空電子束焊接設(shè)備，無填充材料焊接，真空度≤4×10?2 Pa。焊接試板尺寸為200×150×30 mm，I形坡口，焊后于730±10°C進(jìn)行高溫回火8 h。

采用QBR-100蠕變試驗(yàn)機(jī)在630°C、180/200/220 MPa三種應(yīng)力水平下進(jìn)行單軸持久蠕變試驗(yàn)。通過光學(xué)顯微鏡（OM）、掃描電鏡（SEM）、電子背散射衍射（EBSD）和場發(fā)射透射電鏡（FETEM）對焊接接頭微觀組織、蠕變斷口及析出相進(jìn)行表征。

圖1  焊接試板裝配示意圖及蠕變試樣尺寸

3  焊接接頭微觀組織

焊接接頭宏觀形貌顯示焊縫均勻，焊縫與母材冶金結(jié)合良好，無明顯焊接缺陷。焊縫正面寬度約5 mm，中部和背面約4 mm，深寬比為7.5:1，焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)（HAZ）寬度約1.5 mm。

母材顯微組織為典型的板條狀回火馬氏體，原始奧氏體晶界清晰，板條束方向各異，晶界和板條周圍分布有均勻的顆粒狀析出相。焊縫金屬由許多等軸晶和少量柱狀晶組成，仍為板條狀回火馬氏體組織，無δ鐵素體，晶粒較母材細(xì)小且分布不均勻。熱影響區(qū)晶粒明顯粗于焊縫金屬，呈回火馬氏體組織。

圖2 焊接接頭的宏觀形貌和顯微組織：（a）宏觀形貌；（b）X射線檢測圖像；（c）母材；（d）熔合區(qū)

4  蠕變變形行為

630°C不同應(yīng)力下G115焊接接頭的蠕變曲線均包含減速、穩(wěn)態(tài)和加速三個(gè)階段。第一階段（減速階段）持續(xù)時(shí)間較短，隨后進(jìn)入持續(xù)時(shí)間最長的穩(wěn)態(tài)階段，蠕變速率幾乎保持恒定，最后進(jìn)入短暫的加速階段。蠕變速率持續(xù)增加和應(yīng)變快速積累導(dǎo)致明顯的頸縮現(xiàn)象，最終發(fā)生斷裂失效。

恒定溫度下，隨著應(yīng)力增加，蠕變斷裂時(shí)間顯著縮短，最小蠕變速率顯著增大。在630°C、180 MPa條件下，斷裂時(shí)間為1062.12 h，最小蠕變速率為2.725×10?? h?1；在200 MPa條件下，斷裂時(shí)間降至67.30 h，最小蠕變速率增至9.601×10?? h?1；在220 MPa條件下，斷裂時(shí)間僅12.96 h，最小蠕變速率大幅增至2.992×10?? h?1。

圖3  焊縫金屬TEM照片：（a）馬氏體組織；（b）板條束轉(zhuǎn)變；（c）析出相

圖4  630°C不同應(yīng)力下焊接接頭蠕變曲線（a-c）和蠕變速率曲線（d-f）

G115鋼焊接接頭在630°C不同應(yīng)力下的蠕變斷裂遵循Monkman-Grant（MG）方程：ε????^η · t_f = C_MG，其中η接近1，ε????為最小蠕變速率，t_f為蠕變斷裂時(shí)間，C_MG為常數(shù)。線性擬合得到C_MG = 0.00347，R2 = 0.9893，表明穩(wěn)態(tài)蠕變階段應(yīng)變積累可忽略不計(jì)，而加速階段應(yīng)變積累顯著。

圖5  最小蠕變速率與斷裂時(shí)間的關(guān)系（Monkman-Grant關(guān)系）

5  蠕變斷裂行為與斷口分析

不同應(yīng)力下蠕變試樣斷裂時(shí)均存在不同程度的頸縮，低應(yīng)力下蠕變斷裂截面明顯小于高應(yīng)力。由于蠕變過程中應(yīng)變硬化與截面收縮未同步，材料達(dá)到失穩(wěn)點(diǎn)，斷裂前出現(xiàn)明顯的塑性流動，導(dǎo)致局部塑性變形和頸縮。低應(yīng)力下蠕變斷裂時(shí)間較長，塑性變形充分，斷裂截面相對較小。

斷口形貌觀察表明，不同應(yīng)力下蠕變試樣斷口均存在不同尺寸和深度的蠕變孔洞，孔洞附近出現(xiàn)許多連通的韌窩，韌窩微觀結(jié)構(gòu)顯示明顯的孔洞聚合。所有蠕變試樣斷裂均為韌性斷裂。Knott提出的韌性斷裂三階段（孔洞形核、長大和聚合）在此得到驗(yàn)證：孔洞在第二相粒子或夾雜物附近形核，EDS分析表明孔洞中心較粗大的第二相粒子均為M??C?，說明蠕變過程中孔洞可能以碳化物為核心形核。

蠕變初期各孔洞獨(dú)立長大，但隨著孔洞長大并在附近產(chǎn)生大的塑性應(yīng)變，孔洞之間相互影響。隨著蠕變進(jìn)行，塑性應(yīng)變增加，導(dǎo)致孔洞持續(xù)長大和聚合。當(dāng)孔洞達(dá)到臨界尺寸時(shí)，孔洞之間的局部塑性失穩(wěn)導(dǎo)致最終斷裂。此外，孔洞附近出現(xiàn)滑移線。在低應(yīng)力水平下，位錯(cuò)堆積與析出相釘扎作用達(dá)到平衡，位錯(cuò)狀態(tài)相對穩(wěn)定；在較高應(yīng)力下，位錯(cuò)向析出相滑移，當(dāng)運(yùn)動能量超過析出相對基體的釘扎作用時(shí)，在析出相處形成孔洞。應(yīng)力增加導(dǎo)致蠕變斷裂時(shí)間和孔洞數(shù)量顯著減少。

圖6  蠕變試樣斷口形貌：180 MPa（a、c）和220 MPa（b、d）

6  結(jié)論

G115鋼焊接接頭焊縫金屬晶粒細(xì)小，熱影響區(qū)顯微組織相對粗大，均為無δ鐵素體的回火馬氏體組織。部分板條束中觀察到不充分的多邊形化轉(zhuǎn)變，板條邊界附近存在大量M??C?和MX等碳化物相，并呈帶狀沿晶面連續(xù)分布。

630°C不同應(yīng)力下焊接接頭蠕變曲線包含減速、穩(wěn)態(tài)和加速三個(gè)階段，穩(wěn)態(tài)階段占蠕變周期主要部分。隨著應(yīng)力增加，蠕變周期顯著縮短，最小蠕變速率增大。

焊接接頭蠕變斷裂遵循MG方程，C_MG值為0.00347，表明穩(wěn)態(tài)蠕變階段應(yīng)變積累可忽略，而加速階段應(yīng)變積累顯著。

不同應(yīng)力下蠕變試樣斷裂均存在不同程度的頸縮，韌窩數(shù)量和尺寸差異明顯，為韌性斷裂。蠕變過程中孔洞持續(xù)聚合長大，當(dāng)達(dá)到臨界尺寸時(shí)，局部塑性失穩(wěn)導(dǎo)致最終斷裂。孔洞以M??C?碳化物為核心形核，應(yīng)力增加導(dǎo)致蠕變斷裂時(shí)間和孔洞數(shù)量顯著減少。