T91鍋爐管

2.1　合金化原理

T91鋼是美國國立像樹嶺實驗室和美國燃燒工程公司冶金材料實驗室合作研制的新型馬氏體耐熱鋼。它是在9Cr1MoV鋼的基礎(chǔ)上降低含碳量，嚴格限制硫、磷的含量，添加少量的釩、鈮元素進行合金化。根據(jù)ASTM213/A213M-85C,T91鋼的化學(xué)成份見表1。

與T91鋼對應(yīng)的德國鋼號為X10CrMoVNNb91，日本鋼號為HCM95，法國則為TUZ10CDVNb0901。

表1　T91鋼的化學(xué)成份%

元素 含量

C 0.08-0.12

Mn 0.30-0.60

P ≤0.02

S ≤0.01

Si 0.20-0.50

Cr 8.00-9.50

Mo 0.85-1.05

V 0.18-0.25

Nb 0.06-0.10

N 0.03-0.07

Ni ≤0.40

T91鋼中各合金元素分別起到固溶強化、彌散強化和提高鋼的抗氧化性、抗腐蝕性能，具體分析如下。

①碳是鋼中固溶強化作用最明顯的元素，隨含碳量的增加，鋼的短時強度上升，塑性、韌性下降，對T91這類馬氏體鋼而言，含碳量的上升會加快碳化物球化和聚集速度，加速合金元素的再分配，降低鋼的焊接性、耐蝕性和抗氧化性，故耐熱鋼一般都希望降低含碳量，但含碳太低，鋼的強度將降低。T91鋼與12Cr1MoV鋼相比，含碳量降低20%，這是綜合考慮上述因素的影響而決定的。

②T91鋼中含微量氮，氮的作用體現(xiàn)在兩個方面。一方面起固溶強化作用，常溫下氮在鋼中的溶解度很小，T91鋼焊后熱影響區(qū)在焊接加熱和焊后熱處理過程中，將先后出現(xiàn)VN的固溶和析出過程：焊接加熱時熱影響區(qū)內(nèi)已形成的奧氏體組織由于VN的溶入，氮含量增加，此后常溫組織中的過飽和程度提高，在隨后的焊后熱處理中有細小的VN析出，這增加了組織穩(wěn)定性，提高了熱影響區(qū)的持久強度值。另一方面，T91鋼中還含有少量A1，氮能與其形成A1N，A1N在1 100℃以上才大量溶入基體，在較低溫度下又重新析出，能起到較好的彌散強化效果。

③加入鉻主要是提高耐熱鋼的抗氧化性、抗腐蝕能力，含鉻量小于5%時，600℃開始劇烈氧化，而含鉻量達5%時就具有良好的抗氧化性。12Cr1MoV鋼在580℃以下具有良好的抗氧化性，腐蝕深度為0.05 mm/a，600℃時性能開始變差，腐蝕深度為0.13 mm/a。T91含鉻量提高到9%左右，使用溫度能達到650℃，主要措施就是使基體中溶有更多的鉻。

④釩與鈮都是強碳化物形成元素，加入后能與碳形成細小而穩(wěn)定的合金碳化物，有很強的彌散強化效果。

⑤加入鉬主要是為了提高鋼的熱強性，起到固溶強化的作用。

2.2　熱處理工藝

T91的最終熱處理為正火 高溫回火，正火溫度為1040℃，保溫時間不少于10 min，回火溫度為730～780℃，保溫時間不少于1h，最終熱處理后的組織為回火馬氏體。

2.3　機械性能

T91鋼的常溫抗拉強度≥585 MPa，常溫屈服強度≥415 MPa，硬度≤250 HB，伸長率(50 mm標距的標準圓形試樣)≥20%，許用應(yīng)力值[σ]650℃=30 MPa。

2.4　焊接性能

按照國際焊接學(xué)會推薦的碳當量公式算得T91的碳當量為 2.17%

可見T91的焊接性較差。

3　T91焊接時存在的問題

3.1　熱影響區(qū)淬硬組織的產(chǎn)生

從圖1可以看出，T91的臨界冷卻速度低，奧氏體穩(wěn)定性很大，冷卻時不易發(fā)生正常的珠光體轉(zhuǎn)變，從而冷卻到較低溫度時發(fā)生了馬氏體轉(zhuǎn)變。正由于此，T91的淬硬和冷裂傾向很大。

圖1　T91鋼的連續(xù)冷卻曲線

由于熱影響區(qū)的各種組織具有不同的密度、膨脹系數(shù)和不同的晶格形式，在加熱和冷卻過程中必然會伴有不同的體積膨脹和收縮；另一方面，由于焊接加熱具有不均勻和溫度高的特點，故而T91焊接接頭內(nèi)部應(yīng)力很大。

對于T91，奧氏體十分穩(wěn)定，要冷卻到較低溫度(約400℃)才能變?yōu)轳R氏體。粗大的馬氏體組織脆而硬，接頭又處在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下。同時，焊縫冷卻過程中氫由焊縫向近縫區(qū)擴散，氫的存在促使了馬氏體脆化，其綜合作用的結(jié)果，很容易在淬硬區(qū)產(chǎn)生冷裂紋。

3.2　熱影響區(qū)晶粒長大

焊接熱循環(huán)對焊接頭熱影響區(qū)的晶粒長大有重大的影響，特別是緊鄰加熱溫度達到最高的熔合區(qū)。當冷卻速度較小時，在焊接熱影響區(qū)會出現(xiàn)粗大的塊狀鐵素體和碳化物組織，使鋼材的塑性明顯下降；冷卻速度大時，由于產(chǎn)生了粗大的馬氏體組織，也會使焊接接頭塑性下降。

3.3　軟化層的產(chǎn)生

T91鋼在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下焊接，熱影響區(qū)產(chǎn)生軟化層不可避免，而且比珠光體耐熱鋼的軟化更為嚴重。當用加熱和冷卻速度均較緩慢的規(guī)范時，軟化程度較大。另外，軟化層的寬度和它離熔合線的距離，不僅與焊接的加熱條件及特點有關(guān)，還與預(yù)熱、焊后熱處理等有關(guān)。哈爾濱鍋爐廠曾做過試驗得出T91焊接熱影響區(qū)硬度曲線，見圖2。

圖2　T91焊接熱影響區(qū)硬度曲線

①730℃回火；②750℃回火

由圖2可以看出，T91鋼焊縫熱影響區(qū)產(chǎn)生的軟化現(xiàn)象比較嚴重，而且接頭的回火溫度越高，軟化程度越嚴重，接頭強度利用系數(shù)大大下降。

3.4　應(yīng)力腐蝕裂紋

T91鋼在焊后熱處理之前，冷卻溫度一般不低于100℃，如果在室溫下冷卻，而環(huán)境又比較潮濕時，容易出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋。德國規(guī)定：在焊后熱處理之前必須冷卻至150℃以下。在工件較厚、有角焊縫存在及幾何尺寸不好的情況下，冷卻溫度不低于100℃。如果在室溫下冷卻，嚴禁潮濕，否則容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋。

4　T91鋼的焊接工藝

4.1　預(yù)熱溫度的選擇

T91鋼的Ms點約為400℃，預(yù)熱溫度一般選在200～250℃。預(yù)熱溫度不能太高，否則接頭冷卻速度降低，可能在焊接接頭中引起晶界處碳化物析出和形成鐵素體組織，從而大大降低該鋼材焊接接頭在室溫時的沖擊韌性。預(yù)熱溫度的下限從哈爾濱鍋爐廠所做過的插銷試驗可得到很好的說明。

插銷試棒采用T91鋼，直徑8 mm,深0.5 mm，底板采用13CrMo鋼，厚20 mm，試驗在不預(yù)熱、預(yù)熱150℃、預(yù)熱200℃、預(yù)熱250℃條件下進行。焊條采用J707。焊接電流為165～170 A，電弧電壓為21～267 V，試驗結(jié)果如表2所示。

表2　T91插銷試驗結(jié)果

試驗

條件 試樣

號 應(yīng)力水平

/MPa 斷裂時間

/min

不預(yù)熱 1 303.8 9 9

2 186 8 237

3 176.4 8.3 1440未斷

預(yù)熱150℃ 4 421.4 8.1 1260

5 354.8 　 120未斷

預(yù)熱200℃ 6 465.2 8.6 1440未斷

7 482.7 8.1 438

8 539 7.9 313

預(yù)熱250℃ 9 539 8.2 1440未斷

10 600 8.0 1440未斷

由上述試驗結(jié)果知，在不預(yù)熱條件下，T91鋼焊接接頭的臨界應(yīng)力為176.4 MPa；預(yù)熱150℃時，臨界應(yīng)力為354.8 MPa，為T91鋼常溫屈服極限415 MPa的85.4%；預(yù)熱200℃以上時，臨界應(yīng)力大于460 MPa，超過了T91鋼常溫屈服極限。由此，為避免T91鋼焊接時產(chǎn)生冷裂紋，預(yù)熱溫度必須不低于200℃，德國規(guī)定預(yù)熱溫度為180～250℃，美國CE公司規(guī)定預(yù)熱溫度為120～205℃。

4.2　層間溫度的選擇

層間溫度不得低于預(yù)熱溫度下限，但如同預(yù)熱溫度的選取一樣，層間溫度也不能過高。T91焊接時層間溫度一般控制在200～300℃。法國規(guī)定：層間溫度不超過300℃。美國規(guī)定：層間溫度可位于170～230℃之間。

4.3　焊后熱處理起始溫度的選擇

T91要求焊后冷卻到低于Ms點以下并保持一定時間再進行回火處理，焊后冷卻速度為80～100℃/h。如果未經(jīng)保溫，接頭的奧氏體組織可能沒有完全轉(zhuǎn)變，回火加熱會促使碳化物沿奧氏體晶界沉淀，這樣的組織很脆。但是T91焊后也不允許冷卻到室溫再進行回火，因為其焊接接頭冷卻到室溫時就有產(chǎn)生冷裂紋的危險。對于T91來說，最佳起始溫度為100～150℃，并保溫1h，可基本確保組織轉(zhuǎn)變完畢。

4.4　回火溫度、恒溫時間、回火冷卻速度的選擇

T91鋼冷裂傾向較大，在一定條件下，容易產(chǎn)生延遲裂紋，故焊接接頭必須在焊后24 h內(nèi)進行回火處理。T91焊后狀態(tài)的組織為板條狀馬氏體，經(jīng)過回火可變?yōu)榛鼗瘃R氏體，其性能較板條狀馬氏體優(yōu)越。回火溫度偏低時，回火效果不明顯，焊縫金屬容易時效而脆化；回火溫度過高(超過AC1線)，接頭又可能再次奧氏體化，并在隨后的冷卻過程中重新淬硬。同時，如本文在前面所述，回火溫度的確定還要考慮接頭軟化層的影響。一般而言，T91回火溫度為730～780℃。

T91焊后回火恒溫時間不少于1 h，才能保證其組織完全轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體。

為了降低T91鋼焊接接頭的殘余應(yīng)力，必須控制其冷卻速度小于5 ℃/min。T91鋼的焊接工藝可用圖3表示。

圖3　T91鋼焊接工藝

①預(yù)熱200～250 ℃；②焊接，層間溫度200～300 ℃；③焊后冷卻，速度為 80～100 ℃/h；④100～150 ℃保溫1 h；⑤730～780 ℃回火1 h；⑥以不大于5 ℃/min速度冷卻

5　T91鋼在廣東省內(nèi)火電廠應(yīng)用實例

廣東省電力局第一焊接培訓(xùn)中心曾作過Φ42 mm×5mm的T91小徑管對接的焊接工藝評定。采取的預(yù)熱溫度為200℃，焊后冷卻到150℃，保溫1h后進行回火，回火溫度為750～780℃，保溫1h，升降溫速度均小于5℃/min。焊后對試樣進行外觀檢查、斷口檢查、無損檢測、拉伸和彎曲試驗，結(jié)果均合格，這也說明上述焊接工藝是行之有效的。

上述焊接工藝已成功應(yīng)用在沙角A廠、梅州市梅縣區(qū)電廠高溫再熱器外圈。T91鋼在這些電廠應(yīng)用后，由于超溫等造成的事故頻率大大降低。

6　結(jié)論

①T91鋼靠合金化原理，尤其是添加了少量鈮、釩等微量元素，高溫強度、抗氧化性較12 Cr1MoV鋼有較大的提高，但其焊接性能較差。

②插銷試驗表明，T91鋼有較大冷裂傾向，選取預(yù)熱200～250 ℃，層間溫度200～300 ℃，可有效防止冷裂紋產(chǎn)生。

③T91焊后熱處理前，必須冷卻至100～150 ℃，保溫1 h；回火溫度730～780 ℃，保溫時間不少于1 h。

④以上焊接工藝已應(yīng)用于200 MW、300MW 鍋爐制造生產(chǎn)實踐中，取得滿意效果，并獲得較大的經(jīng)濟效益。

根據(jù)ASTM213/A213M-85C,T91鋼的化學(xué)成份見表1。

與T91鋼對應(yīng)的德國鋼號為X10CrMoVNNb91，日本鋼號為HCM95，法國則為TUZ10CDVNb0901。

表1 T91鋼的化學(xué)成份%

元素 含量

S ≤0.01

Si 0.20-0.50

Cr 8.00-9.50

Mo 0.85-1.05

V 0.18-0.25

Nb 0.06-0.10

N 0.03-0.07

Ni ≤0.40

T91鋼中各合金元素分別起到固溶強化、彌散強化和提高鋼的抗氧化性、抗腐蝕性能，具體分析如下。

①碳是鋼中固溶強化作用最明顯的元素，隨含碳量的增加，鋼的短時強度上升，塑性、韌性下降，對T91這類馬氏體鋼而言，含碳量的上升會加快碳化物球化和聚集速度，加速合金元素的再分配，降低鋼的焊接性、耐蝕性和抗氧化性，故耐熱鋼一般都希望降低含碳量，但含碳太低，鋼的強度將降低。T91鋼與12Cr1MoV鋼相比，含碳量降低20%，這是綜合考慮上述因素的影響而決定的。

②T91鋼中含微量氮，氮的作用體現(xiàn)在兩個方面。一方面起固溶強化作用，常溫下氮在鋼中的溶解度很小，T91鋼焊后熱影響區(qū)在焊接加熱和焊后熱處理過程中，將先后出現(xiàn)VN的固溶和析出過程：焊接加熱時熱影響區(qū)內(nèi)已形成的奧氏體組織由于VN的溶入，氮含量增加，此后常溫組織中的過飽和程度提高，在隨后的焊后熱處理中有細小的VN析出，這增加了組織穩(wěn)定性，提高了熱影響區(qū)的持久強度值。另一方面，T91鋼中還含有少量A1，氮能與其形成A1N，A1N在1 100℃以上才大量溶入基體，在較低溫度下又重新析出，能起到較好的彌散強化效果。

③加入鉻主要是提高耐熱鋼的抗氧化性、抗腐蝕能力，含鉻量小于5%時，600℃開始劇烈氧化，而含鉻量達5%時就具有良好的抗氧化性。12Cr1MoV鋼在580℃以下具有良好的抗氧化性，腐蝕深度為0.05 mm/a，600℃時性能開始變差，腐蝕深度為0.13 mm/a。T91含鉻量提高到9%左右，使用溫度能達到650℃，主要措施就是使基體中溶有更多的鉻。

④釩與鈮都是強碳化物形成元素，加入后能與碳形成細小而穩(wěn)定的合金碳化物，有很強的彌散強化效果。

⑤加入鉬主要是為了提高鋼的熱強性，起到固溶強化的作用。

2.2 熱處理工藝

T91的最終熱處理為正火 高溫回火，正火溫度為1040℃，保溫時間不少于10 min，回火溫度為730～780℃，保溫時間不少于1h，最終熱處理后的組織為回火馬氏體。

2.3 機械性能

T91鋼的常溫抗拉強度≥585 MPa，常溫屈服強度≥415 MPa，硬度≤250 HB，伸長率(50 mm標距的標準圓形試樣)≥20%，許用應(yīng)力值〔σ]650℃=30 MPa。

2.4 焊接性能

按照國際焊接學(xué)會推薦的碳當量公式算得T91的碳當量為

可見T91的焊接性較差。

3 T91焊接時存在的問題

3.1 熱影響區(qū)淬硬組織的產(chǎn)生

從圖1可以看出，T91的臨界冷卻速度低，奧氏體穩(wěn)定性很大，冷卻時不易發(fā)生正常的珠光體轉(zhuǎn)變，從而冷卻到較低溫度時發(fā)生了馬氏體轉(zhuǎn)變。正由于此，T91的淬硬和冷裂傾向很大。

由于熱影響區(qū)的各種組織具有不同的密度、膨脹系數(shù)和不同的晶格形式，在加熱和冷卻過程中必然會伴有不同的體積膨脹和收縮；另一方面，由于焊接加熱具有不均勻和溫度高的特點，故而T91焊接接頭內(nèi)部應(yīng)力很大。

對于T91，奧氏體十分穩(wěn)定，要冷卻到較低溫度(約400℃)才能變?yōu)轳R氏體。粗大的馬氏體組織脆而硬，接頭又處在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下。同時，焊縫冷卻過程中氫由焊縫向近縫區(qū)擴散，氫的存在促使了馬氏體脆化，其綜合作用的結(jié)果，很容易在淬硬區(qū)產(chǎn)生冷裂紋。

3.2 熱影響區(qū)晶粒長大

焊接熱循環(huán)對焊接頭熱影響區(qū)的晶粒長大有重大的影響，特別是緊鄰加熱溫度達到最高的熔合區(qū)。當冷卻速度較小時，在焊接熱影響區(qū)會出現(xiàn)粗大的塊狀鐵素體和碳化物組織，使鋼材的塑性明顯下降；冷卻速度大時，由于產(chǎn)生了粗大的馬氏體組織，也會使焊接接頭塑性下降。

3.3 軟化層的產(chǎn)生

T91鋼在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下焊接，熱影響區(qū)產(chǎn)生軟化層不可避免，而且比珠光體耐熱鋼的軟化更為嚴重。當用加熱和冷卻速度均較緩慢的規(guī)范時，軟化程度較大。另外，軟化層的寬度和它離熔合線的距離，不僅與焊接的加熱條件及特點有關(guān)，還與預(yù)熱、焊后熱處理等有關(guān)。哈爾濱鍋爐廠曾做過試驗得出T91焊接熱影響區(qū)硬度曲線，見圖2。

3.4 應(yīng)力腐蝕裂紋

T91鋼在焊后熱處理之前，冷卻溫度一般不低于100℃，如果在室溫下冷卻，而環(huán)境又比較潮濕時，容易出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋。德國規(guī)定：在焊后熱處理之前必須冷卻至150℃以下。在工件較厚、有角焊縫存在及幾何尺寸不好的情況下，冷卻溫度不低于100℃。如果在室溫下冷卻，嚴禁潮濕，否則容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋。

4 T91鋼的焊接工藝

4.1 預(yù)熱溫度的選擇

T91鋼的Ms點約為400℃，預(yù)熱溫度一般選在200～250℃。預(yù)熱溫度不能太高，否則接頭冷卻速度降低，可能在焊接接頭中引起晶界處碳化物析出和形成鐵素體組織，從而大大降低該鋼材焊接接頭在室溫時的沖擊韌性。預(yù)熱溫度的下限從哈爾濱鍋爐廠所做過的插銷試驗可得到很好的說明。

插銷試棒采用T91鋼，直徑8 mm,深0.5 mm，底板采用13CrMo鋼，厚20 mm，試驗在不預(yù)熱、預(yù)熱150℃、預(yù)熱200℃、預(yù)熱250℃條件下進行。焊條采用J707。焊接電流為165～170 A，電弧電壓為21～267 V，試驗結(jié)果如表2所示。

表2 T91插銷試驗結(jié)果