摘要
随着我国社会用电量的日益增加，由于目前火电机组技术水平落后、发电效率较低、排放污染严重，所以发展大容量、高效率的超超临界机组是未来火电发展的重要目标，是实现火电可持续发展的重要保障。火力电站蒸汽压力和温度参数的提高对关键部位的材料提出了更高的要求。过热器和再热器作为电站锅炉中服役环境最恶劣的部件，严重制约了电站机组的发展。因此，研发先进锅炉管材料是发电技术的关键。目前，C-HRA-5作为一种新型奥氏体耐热不锈钢，由于其抗高温氧化性能及高温力学性能优异被广泛应用。在实际应用过程中会出现大量C-HRA-5钢的焊接，因此，研究焊接接头的微观组织，对高温力学性能，持久强度的预测以及晶间腐蚀敏感性的影响，不仅可以为保证焊接质量提供理论依据，而且对确保机组安全有效的运行具有重要的实际意义。 本文针对C-HRA-5钢焊接接头，综合利用金相光学显微镜、透射电子显微镜、扫描电子显微镜及能谱仪，以及室温力学性能试验、高温拉伸试验和双环电化学动电位再活化法等手段，研究了C-HRA-5钢焊接接头不同区域的微观组织结构以及其对室温拉伸性能、高温拉伸性能的影响，基于Larson-Miller参数，建立了高温持久强度预测的数学模型；研究了焊接接头在不同敏化温度下的微观组织变化规律以及其对晶间腐蚀敏感性的影响。 在供货状态下C-HRA-5钢焊接接头的微观组织为奥氏体基体和析出相。焊缝区为粗大的树枝状奥氏体组织，在熔合线附近的焊缝区存在凝固晶粒边界（SGB）、凝固亚晶界（SSGB）和迁移晶粒边界（MGB）。热影响区和母材区的组织均为典型的奥氏体组织，且在基体中弥散分布着细小和聚集成块状的析出相。焊接过程中较大的热输入使得热影响区的晶粒有明显长大的趋势。焊缝金属的析出相主要有γ（Gamma）相和强化相γ′（Gammaprime）。在热影响区的奥氏体基体中，主要有MX相分布在晶内和晶界处，在母材区中，在晶内析出了块状的MX相和短棒状的Z相，在晶界处析出了球状的MX相和M23C6碳化物。 在室温条件下对C-HRA-5钢焊接接头进行了不同速率下（0.01mm/s、0.05mm/s、0.1mm/s）的拉伸试验。研究发现，当拉伸速率增大时，位错运动受阻，形变阻抗提高，使得随着拉伸速率的增大，焊接接头的抗拉强度和屈服强度增大，且屈服强度的变化更为敏感。供货状态下焊接接头的硬度值分布不均匀，熔合区的硬度最高，母材区的硬度最低，热影响区的硬度较高于母材，焊缝区的硬度较高于热影响区。由于多层多道焊可以起到焊后热处理的作用，所以焊缝根部的硬度较大。焊缝区Co元素的含量远远高于母材区，Co元素强化了γ′相，使得焊缝区的硬度较高。在高温条件下对C-HRA-5钢焊接接头进行了不同温度下（650℃、700℃、750℃）的拉伸试验，同室温拉伸试验一样，焊接接头均在焊缝处断裂，导致焊缝区强度较低的原因可能是焊缝区的晶粒粗大或化学成分不均匀以及元素的偏析。随着试验温度的升高，韧窝中的析出物和夹杂物随之增多，位错塞积作用增强，导致裂纹扩展加快最终断裂，使得焊接接头的强度和伸长率不断降低。基于L-M参数，利用状态函数和全微分的特征，建立了C-HRA-5钢焊接接头持久强度预测的数学模型，700℃时外推拟合公式为lgσ=2.76018?0.13151lgτ，外推10万小时的持久强度为?190753=116.0203MPa。高于ASMESA-213标准的要求。 在650℃～850℃敏化处理后，C-HRA-5钢焊接接头各区域的组织为奥氏体组织，随着敏化温度的升高，热影响区的晶粒尺寸呈现先增大后减小的趋势，这是由于温度的升高使得第二相析出增多，析出相对晶界产生钉扎作用，抑制了晶粒的长大。随着敏化温度的升高，大量M23C6碳化物沿晶界析出，造成晶界处贫铬，从而引起晶间腐蚀，焊接接头对晶间腐蚀的敏感性随之增大。 通过对C-HRA-5钢焊接接头的微观组织分析、力学性能和晶间腐蚀敏感性的分析，表明C-HRA-5钢具有良好的焊接性，对其应用于超超临界锅炉过热器和再热器具有极其深远的实际意义。
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