浙江至德鋼業(yè)有限公司在對(duì)核級(jí)奧氏體不銹鋼管焊接接頭性能分析過程中,發(fā)現(xiàn)晶間腐蝕試驗(yàn)不合格,且發(fā)生晶間腐蝕開裂的位置為母材,通過分析發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致母材晶間腐蝕不合格的原因可能是由于不合理的元素成分(過高的錳含量和過低的鎳含量)和不合理的熱處理制度導(dǎo)致了母材在敏化后微觀組織為奧氏體+δ鐵素體+σ相,從而使得晶間敏化時(shí)貧鉻更嚴(yán)重,同時(shí)針對(duì)該種情況給出了相應(yīng)的預(yù)防措施。
18-8型奧氏體不銹鋼因其具有較高的強(qiáng)度、塑形和良好的耐腐蝕性能在核電站中廣泛應(yīng)用,其中包括某些設(shè)備的重要部件以及需承擔(dān)耐高溫、耐腐蝕等而惡劣環(huán)境的重要系統(tǒng)管道。重要部件及管道用奧氏體不銹鋼在使用過程中需要復(fù)驗(yàn),同時(shí)在焊接過程中還需要對(duì)焊接接頭進(jìn)行焊接工藝評(píng)定,其中就包括進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)。由于晶間腐蝕對(duì)于奧氏體不銹鋼的應(yīng)用影響很大,且其發(fā)生過程不易覺察,所以奧氏體不銹鋼晶間腐蝕現(xiàn)象受到了廣泛關(guān)注。
至德鋼業(yè)針對(duì)某一核級(jí)奧氏體不銹鋼管在焊接實(shí)施前焊接工藝評(píng)定不合格問題,進(jìn)行了包括化學(xué)成分、力學(xué)性能、工藝性能、微觀組織、耐腐蝕性能等方面的試驗(yàn),分析了造成工藝評(píng)定不合格的原因主要為晶間腐蝕試驗(yàn)不合格,并對(duì)造成晶間腐蝕試驗(yàn)不合格的原因進(jìn)行了分析,并提出了避免該種問題出現(xiàn)的相關(guān)措施,從而為核級(jí)奧氏體不銹鋼在核電站中的廣泛應(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ)。
一、焊接接頭的制備與試驗(yàn)方法
1. 焊接接頭的制備
母材為Z2CN18.10,規(guī)格為Φ21.3mm×3.37mm,填充焊絲為ER316L,規(guī)格為Φ2.0,焊接工藝為惰性氣體保護(hù)鎢極電弧焊(TIG)。對(duì)焊接接頭進(jìn)行無損檢測(cè),包括目視檢測(cè)、滲透檢測(cè)和射線檢測(cè),結(jié)果表明焊接接頭的表面缺陷及內(nèi)部缺陷在采購規(guī)定的要求范圍之內(nèi)。
2. 試驗(yàn)方法及試驗(yàn)結(jié)果
為了檢驗(yàn)焊接接頭是否滿足要求,從焊接接頭上分別取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析、橫向拉伸、彎曲、微觀組織、晶間腐蝕等試驗(yàn)項(xiàng)目,具體要求如下。
a. 化學(xué)成分
按照GB/T 20066-2001的規(guī)定從焊接接頭上截取試樣,試驗(yàn)方法按照GB/T 11170-2008的要求在M5000直讀光譜儀進(jìn)行。化學(xué)成分分析結(jié)果如表所示,從表中可以看出測(cè)量值符合規(guī)范要求,同時(shí)雜質(zhì)元素銅、硼、氮、磷、硫等含量較低,這可以保證焊接質(zhì)量的可靠性;另外其中還含有微量的穩(wěn)定化元素鈮,元素鈮的存在是為了形成碳化物,從而降低基體中的碳含量,從而對(duì)于提高材料的抗晶間腐蝕能力有益;另外根據(jù)Delong圖計(jì)算得到δ鐵素體含量約為6%,符合規(guī)范要求的鐵素體含量在5~15%的要求。焊接接頭中一定量鐵素體的存在,是為了提高焊接接頭在凝固過程中的強(qiáng)度,從而避免凝固收縮形成的張力將焊縫撕裂。
b. 橫向拉伸
按照GB/T 2651-2008的規(guī)定截取管接頭板狀試樣,其中試樣平行長度部分的寬度為6mm,試驗(yàn)設(shè)備均為WAW-300液壓萬能試驗(yàn)機(jī)。拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明焊接接頭的抗拉強(qiáng)度Rm為575MPa,滿足規(guī)范要求的不低于490MPa的要求,同時(shí)斷裂位置在焊縫以外區(qū)域,這說明焊接接頭強(qiáng)度優(yōu)于母材強(qiáng)度。
c. 彎曲
根據(jù)GB/T 2653-2008的規(guī)定,截取橫向彎曲試樣,其中試樣厚度為鋼管厚度(3.37mm),試樣的寬度為8mm,試樣的長度為100mm,且焊縫處于試樣的中間位置,試驗(yàn)設(shè)備為WAW-300液壓萬能試驗(yàn)機(jī)。截取4個(gè)橫向彎曲試樣,其中2個(gè)進(jìn)行面彎試驗(yàn),2個(gè)進(jìn)行背彎試驗(yàn),彎曲過程所采用的圓形壓頭直徑為15mm,彎曲角度為180°,試驗(yàn)結(jié)果均未發(fā)現(xiàn)有裂紋或其他缺陷產(chǎn)生。
d. 微觀組織
從焊接接頭上截取長度為30mm的管段,沿縱截面監(jiān)測(cè)焊縫和焊縫附近區(qū)域的微觀組織,侵蝕劑為300mL HCl+500gFeCl 3+700mlH2O,侵蝕時(shí)間2秒,然后在CMM-40E金相顯微鏡上觀察不同區(qū)域的微觀組織。
焊縫處的微觀組織如圖所示,可以看出存在明顯的兩種組織,根據(jù)表中的化學(xué)成分分析及Delong圖計(jì)算結(jié)果可知,該組織主要為奧氏體的基體和沿奧氏體基體分布的枝狀鐵素體,由于該鐵素體為直接從液相中析出,可以判斷出為δ鐵素體,據(jù)此可以判斷得出焊縫處的組織為鑄態(tài)的奧氏體+δ鐵素體。
焊縫附近熱影響區(qū)的組織如圖所示,可以看出該區(qū)域的組織結(jié)構(gòu)和焊縫的鑄態(tài)組織明顯不同,出現(xiàn)了經(jīng)加工和熱處理后由于材料發(fā)生再結(jié)晶而存在的明顯晶界,同時(shí)晶內(nèi)出現(xiàn)了異與基體的其他組織,且存在一定數(shù)量的孿晶。
另外,母材區(qū)域的微觀組織如圖所示,根據(jù)張文華的研究,鉻-鎳型奧氏體不銹鋼在1100~1300℃固溶處理過程后,其δ鐵素體含量隨著固溶溫度的升高而增加,根據(jù)F-2A型鐵素體儀測(cè)母材的微觀組織中除了奧氏體基體外,還包括7.3%的鐵素體,據(jù)此推測(cè)此鐵素體應(yīng)為δ鐵素體;除δ鐵素體,還可以觀測(cè)得知在部分晶界存在碳化物析出;同時(shí)對(duì)δ鐵素體析出區(qū)域放大倍數(shù)進(jìn)一步進(jìn)行觀察,如圖所示,可以看出在條形δ鐵素體周圍存在其它塊狀析出相,利用平衡相圖計(jì)算結(jié)果及相關(guān)研究,可分析得知該析出相為σ相。
e. 晶間腐蝕
晶間腐蝕試驗(yàn)按照GB/T4334.5-2000的規(guī)定進(jìn)行,試樣長度為100mm,寬為20mm的厚度為管材壁厚的條形試樣;晶間腐蝕前應(yīng)對(duì)試樣進(jìn)行敏化,敏化溫度為650℃,敏化保溫時(shí)間為2小時(shí),保溫后在空氣中冷卻;晶界腐蝕試驗(yàn)的腐蝕介質(zhì)是按照該標(biāo)準(zhǔn)要求配置的硫酸-硫酸銅溶液;試驗(yàn)完成后,取出試樣,洗凈、干燥、并進(jìn)行聲響試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn),彎曲角度為180°。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),在靠近焊縫熱影響區(qū)的母材區(qū)域存在裂紋,而焊縫區(qū)域無裂紋,這表明母材的晶間腐蝕結(jié)果不合格。
f. 母材性能
根據(jù)母材的質(zhì)量證明文件,可知母材的化學(xué)成分,具體如表所示。根據(jù)表的結(jié)果可以看出,錳含量接近上限,鎳含量接近下限,且根據(jù)Delong圖計(jì)算得到母材中的δ鐵素體含量約為8%。同時(shí),母材的拉伸性能結(jié)果表明其室溫抗拉強(qiáng)度為575MPa,滿足采購技術(shù)規(guī)格書中不低于490MPa的要求;屈服強(qiáng)度為260MPa,滿足采購技術(shù)規(guī)格書中不低于175MPa的要求。
二、分析討論
根據(jù)對(duì)焊接接頭的化學(xué)成分、力學(xué)性能、彎曲、微觀組織、晶間腐蝕試驗(yàn)的結(jié)果,可以看出該焊接接頭是不符合要求的,主要原因是由于母材區(qū)域在晶間腐蝕試驗(yàn)過程中的彎曲檢測(cè)中出現(xiàn)開裂造成的。對(duì)于奧氏體不銹鋼而言,晶間腐蝕開裂的主要原因是因?yàn)椴讳P鋼在熱處理過程中發(fā)生了“敏化”,即沿晶界析出M23C6碳化物(其中的M主要指鉻和鐵),導(dǎo)致晶界附近貧鉻,同時(shí)遠(yuǎn)離晶界基體中的鉻在短時(shí)間無法擴(kuò)散到晶界,使得晶界附近的鉻含量低于材料發(fā)生腐蝕所要求的最低值,從而導(dǎo)致在腐蝕溶液中晶界位置優(yōu)先被侵蝕,最后導(dǎo)致材料失效。
研究表明,在奧氏體不銹鋼中一定含量的δ鐵體有助于提高合金的抗晶間腐蝕性能,這主要是由于δ鐵素體與奧氏體界面的界面能比奧氏體晶界的界面能低,使得M23C6碳化物優(yōu)先在δ鐵素體與奧氏體界面上析出;同時(shí)該相界面的存在相當(dāng)于增加了碳化物的析出區(qū)域面積,使得單位面積上的碳化物濃度降低,從而使得材料發(fā)生“敏化”晶界附近區(qū)域鉻含量也不至于過低,從而減少材料形成晶間腐蝕敏感性。另外,如果奧氏體不銹鋼中錳過高,鎳含量較低時(shí)則容易形成σ相。σ相是一種含有較高鉻含量的Cr-Fe金屬間化合物,當(dāng)其沿晶界析出時(shí),同時(shí)將使晶界周圍形成貧鉻區(qū),從而使得材料的晶間腐蝕更敏感。
根據(jù)對(duì)焊接接頭和母材的微觀組織分析,可以得知焊接接頭的最終組織為奧氏體基體+δ鐵素體,且焊縫為鑄態(tài)組織,因此根據(jù)最終金相檢查的分析結(jié)果可以得知焊接接頭在焊接完成后沒有發(fā)生明顯的敏化;母材的微觀組織為奧氏體基體+δ鐵素體+σ相,同時(shí)在某些晶界部分發(fā)現(xiàn)有碳化物的析出;由于富鉻的σ相在靠近δ鐵素體區(qū)域析出,這將使得奧氏體基體中的鉻含量降低,另外某些晶界存在碳化物析出,這就使得晶界附近的貧鉻更為嚴(yán)重。根據(jù)化學(xué)成分結(jié)果可知焊縫區(qū)域的δ鐵素體含量要高于母材,同時(shí)焊縫的鑄態(tài)組織由于無明顯晶界也無明顯的敏化現(xiàn)象,導(dǎo)致焊接接頭在敏化時(shí)未發(fā)生開裂;而母材由于即在基體中存在σ相析出,導(dǎo)致基體中的鉻含量降低,同時(shí)某些晶界存在碳化物的析出,導(dǎo)致晶界區(qū)域的貧鉻更為嚴(yán)重,最終使得母材在相同的腐蝕環(huán)境中發(fā)生晶間腐蝕開裂。
對(duì)于18/8型奧氏體不銹鋼,一般在交貨前均要求進(jìn)行最終固溶熱處理,固溶熱處理溫度為1050~1150℃,保溫時(shí)間約為10min,該熱處理將會(huì)保證該類型奧氏體不銹鋼為奧氏體+δ鐵素體組織,只不過由于δ鐵素體的含量很少,不易被覺察到因此一般被認(rèn)為是單一的奧氏體基體組織。另外,當(dāng)18/8型奧氏體不銹鋼具有較高的錳和氮時(shí),在500℃~900℃長時(shí)間加熱,則σ相形成傾向就會(huì)比較強(qiáng)烈。對(duì)于本文中出現(xiàn)的該種焊接接頭,由于在晶界試驗(yàn)中需要對(duì)試樣進(jìn)行敏化,而敏化過程溫度正處于σ相的析出溫度范圍,同時(shí)在母材中錳含量處于上限、鎳含量處于下限,從而對(duì)于σ相的形成較為有利。而對(duì)于焊接接頭,由于熔覆金屬的錳含量為1.60%,鎳含量為12.09%,相對(duì)于母材中的錳含量為1.904%,鎳含量為9.348%具有較低的錳和較高的鎳,且δ鐵素體也更少,從而導(dǎo)致了在相同的敏化條件下焊縫區(qū)域沒有σ相產(chǎn)生。另外,由于鉻是鐵素體形成元素,鎳是奧氏體形成元素,因此δ鐵素體中的鉻含量要明顯高于奧氏體中的鉻,則δ鐵素體中將更容易析出富鉻的σ相,這也與圖中的金相檢查結(jié)果相吻合。
綜上分析可知,由于母材中的錳含量較高、鎳含量較低,導(dǎo)致其在晶間腐蝕試驗(yàn)的敏化過程中形成了奧氏體+δ鐵素體+σ相的微觀組織,且同時(shí)沿晶界存在碳化物析出,這導(dǎo)致了晶間腐蝕試驗(yàn)不合格;而焊接接頭中由于僅存在δ鐵素體,無σ相和碳化物析出,而單一的δ鐵素體對(duì)于奧氏體不銹鋼抗晶間腐蝕是有益的,從而其在晶間腐蝕試驗(yàn)過程中未發(fā)現(xiàn)有裂紋。
三、結(jié)論及建議
1. 導(dǎo)致焊接接頭晶間腐蝕試驗(yàn)不合格的主要部位在母材區(qū)域,而導(dǎo)致母材晶間腐蝕試驗(yàn)不合格的原因是由于不合理的元素成分(過高的錳含量和過低的鎳含量)導(dǎo)致在敏化后母材的微觀組織為奧氏體+δ鐵素體+σ相,從而導(dǎo)致母材的抗晶間腐蝕性能降低;
2. 建議在奧氏體不銹鋼制造過程中鎳含量應(yīng)取中間值范圍,錳含量取較低值。