摘要
目前，我国的资源与能源结构现状决定了在未来的一段时期内，火电在能源结构中仍将占据重要地位。火力发电在满足人们日常用电需求的同时，也带来了环境污染和能源消耗等问题。为了减少CO2排放，达到改善环境和节能要求，超超临界（ultrasuper-critical,USC）火电技术已逐渐成为重要的发展方向，即通过提高火力发电机组中耐热锅炉的蒸汽温度和蒸汽压力来提升热效率，进而减少煤炭消耗。更高的蒸汽参数对用于蒸汽锅炉的耐热钢性能提出了更高的要求，从性能和成本两个方面考虑，提升耐热钢的使用温度上限是解决这一问题的关键，因此高温段耐热钢的开发是超超临界火电机组发展的最关键因素。G115钢是我国钢铁研究总院历时十余年在P92的基础上自主研发的一种新型马氏体耐热钢，是迄今为止可工程用于630-650℃温度范围的唯一马氏体耐热钢。G115钢在630-650℃范围内具有良好的组织稳定性，也是630-650℃温度段大口径管厚壁部件以及再热进气管的最佳选择。 本研究以650℃超超临界火力发电机组管道用大口径厚壁08Cr9W3Co3VNbCuBN（G115）耐热钢管为试验材料为研究对象，采用钨极惰性气体保护焊（TIG）+手工电弧焊（SMAW）与TIG+动态振动送丝钨极氩弧焊（TIPTIG）两种焊接工艺方式，进行焊接工艺性试验探索。焊后接头成型良好，且无明显缺陷存在。通过金相（OM）、扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和电子背散射衍射（EBSD）等微观测试手段以及冲击性能、硬度和电化学腐蚀等性能测试方法，分析了接头各区域的微观组织与性能,并对接头微观组织结构转变及其对力学性能和腐蚀性能的影响机理进行了研究，研究结果如下: 两种焊接工艺方法均可获得高质量的G115厚壁管道接头，且焊接接头具有良好的冶金结合性。母材（BM）、热影响区（HAZ）和焊缝（WZ）清晰可见，接头未发现气孔、裂纹、夹渣和未熔合等明显的宏观缺陷。显微组织结构分析表明，两种焊接工艺所获得的接头显微组织相似，均为回火马氏体，并伴有大量沉淀相析出。WZ主要由铁素体和马氏体组成，组织形貌为等轴晶和柱状晶，焊缝中上部主要为生长方向不同的柱状晶组织，焊缝底部主要为细小的等轴晶。FGHAZ和CGHAZ微观结构由原奥氏体晶界（PAGBs）和板条马氏体组成。在晶界和晶粒内部观察到大量的沉淀物。TIPTIG焊缝晶粒尺寸要比SMAW焊缝晶粒尺寸要小。 力学性能分析表明，焊接接头横截面上不同区域（盖面、填充、根部）的硬度分布趋势基本相同，从母材到焊缝区硬度逐渐增加，热影响区介于母材和焊缝之间，两种工艺下接头硬度差别不大。经过高温回火处理之后，焊接接头的冲击吸收功能够满足＞31J的要求（GB/T229-2020标准）。SMAW焊缝区平均冲击吸收能为45.4J,热影响区平均冲击吸收能为74.5J,而TIPTIG焊缝区平均冲击吸收能为59.3J,热影响区平均冲击吸收能为103J,结果表明TIPTIG工艺所获焊缝韧性更好。断口微观形貌分析表明，启裂区微观断口主要由大小不同的韧窝，并伴有深孔洞组成，扩展区断口形貌呈现准解离断裂的河流花样特征，且准解离断裂面较平整，其解理面由撕裂棱构成。断口分析表明，接头断裂形式为典型的偏向脆性断裂的韧脆混合断裂方式。电化学腐蚀性能分析表明:在相同的腐蚀条件下，BM的腐蚀电流密度最小，WZ的腐蚀电流密度略高于HAZ。这是由于经过焊后热处理之后，接头中含有大量的均匀分布的析出相，且随着回火时间的延长，析出相含量也逐渐增多。这些析出相中含有大量的Fe和Cr元素，随着析出相的增加，大大降低了Cr元素的比例，导致接头表面钝化层保护效果减弱，从而导致WZ和HAZ区的腐蚀电流增大，耐腐蚀性降低。总体而言，接头BM区耐腐蚀性最好，WZ区耐腐蚀性最差，HAZ区则介于二者之间。
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