12%Cr/30Cr2Ni4MoV异种金属焊接接头低周疲劳性能与薄弱环节分析

《Journal of Materials Research and Technology》：Low cycle fatigue properties and weak link analysis of 12%Cr/30Cr2Ni4MoV dissimilar metal welded joint for steam turbine rotor

　　

本研究系统研究了带有隔离层（BL）的异种金属焊接接头（DMWJ）的低周疲劳（LCF）行为。研究人员设计并测试了五种类型的疲劳试样，获得了相应的疲劳曲线和参数。结果表明，母材30Cr2Ni4MoV（BM2）、其热影响区（HAZ2）和焊缝金属（WM）表现出优异的疲劳性能，但其相对排序取决于应变幅值。回火贝氏体和马氏体组织的交错分布增强了BM2的硬度和循环变形能力。细小的回火马氏体组织改善了HAZ2试样的LCF性能。针状贝氏体组织也使WM具有较高的疲劳寿命。相比之下，来自12%Cr钢热影响区（HAZ1）和BL的试样表现出最低的疲劳寿命。疲劳试验后，HAZ1/BL试样断裂于熔合边界（FB1），其中BL内的碳贫化区代表了焊接接头中的最薄弱环节。一方面，由于应变集中，硬度最低的碳贫化区在HAZ1/BL试样的循环变形过程中经历了疲劳裂纹萌生。另一方面，BL中粗大的M7C3碳化物加速了疲劳裂纹扩展，这也是HAZ1/BL试样疲劳寿命低的原因。相比之下，HAZ2试样的断裂发生在过回火区（OTZ），在高温和LCF加载条件下，该区域相对于WM优先软化。本研究为新型12%Cr/30Cr2Ni4MoV焊接汽轮机转子的制造工艺和服役安全提供了指导。

一、研究背景与意义

超超临界（USC）发电技术是高效火力发电的核心技术，利用超临界流体的热力学特性实现高效发电。然而，随着技术进步，USC机组面临着极为严苛的服役环境，其安全性和可靠性高度依赖于材料与结构在长期高温条件下的疲劳性能和抗氧化能力。因此，耐热金属材料的选择是首要考虑的问题。

为了满足汽轮机不同部件的服役要求，开发了多种材料，例如用于300-650°C部件、具有优异高温抗氧化和抗腐蚀性能的12%Cr马氏体钢，以及因其韧性和淬透性而用于中低温区域的30Cr2Ni4MoV钢。焊接转子作为关键的汽轮机部件，采用埋弧焊（SAW）进行厚壁结构连接，并将不同材料应用于不同温度区域。然而，其异种金属焊接接头（DMWJ）可能因微观组织不均匀而产生薄弱微区。在所有力学性能中，低周疲劳（LCF）至关重要，因为长期服役过程中存在复杂的循环载荷。先前的研究证实，DMWJ的微观组织非均匀性是导致LCF失效的关键原因。然而，关于12%Cr/30Cr2Ni4MoV DMWJ的研究仍然有限，因此需要对其微观组织演化进行系统研究，以阐明LCF机理，为汽轮机转子的可靠性提供理论和工程价值。

二、研究内容与结论

本研究通过SAW技术制备了12%Cr钢和30Cr2Ni4MoV钢的DMWJ，系统研究了该焊接接头不同区域的LCF性能及循环应变过程中的微观组织演化规律。通过识别最薄弱环节，揭示了主要的LCF失效机制，为汽轮机焊接转子的生产和安全服役提供了有效支持。

三、关键技术方法

研究人员采用了多种表征技术。使用光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和电子背散射衍射（EBSD）来观察DMWJ不同区域在疲劳试验前后的微观组织、疲劳断口和裂纹特征。利用维氏硬度计测量沿DMWJ的显微硬度分布。LCF试验按照ASTM E606标准，在330°C、完全反向加载（R=-1）、频率0.1-0.25 Hz、恒定应变速率4×10^-3 s^-1的条件下进行，应变幅值范围为0.3%至1.0%。

四、研究结果

4.1 疲劳曲线与参数

研究人员绘制了五种类型试样在不同应变幅值下的应力幅-循环次数（S-N）曲线。结果表明，应力幅随应变幅增加而增加，疲劳寿命则下降，且所有区域均表现出循环软化行为。在相同应变幅下，五个区域的疲劳寿命排序并非固定不变，而是随应变幅变化。在所有应变幅下，HAZ1/BL试样的寿命最短，表明其为接头中最稳定的薄弱区域。通过Manson-Coffin关系和Zheng-Hirt公式拟合了LCF数据，获得了疲劳强度系数和指数、疲劳延性系数和指数等参数。HAZ1/BL区域的过渡寿命（2N_T）最低（仅664次循环），其循环塑性性能最差，疲劳抗力最弱。Ramberg-Osgood方程拟合的循环应力-应变曲线显示，BM2具有最低的循环应变硬化指数（n）和循环强度系数（K），表明其软化最快；而HAZ1/BL和HAZ2的n和K值较高，反映了更高的循环硬化程度。

4.2 微观组织与显微硬度分析

疲劳前微观组织分析显示：BM1由板条马氏体组成，碳化物主要沿板条边界分布；BL包含块状铁素体和马氏体，晶界处有粗大碳化物；WM主要为针状贝氏体；BM2主要为回火马氏体和贝氏体，弥散分布着细小碳化物。EBSD分析表明，BL的几何必需位错（GND）密度和KAM值最低，降低了强度并促进了循环变形中的应力集中。TEM观察发现，BM1中存在杆状M₂₃C₆碳化物，疲劳后形成位错胞和等轴亚晶粒；BL中球形M₇C₃碳化物在疲劳后产生大量位错滑移线，这些粗大碳化物倾向于在基体界面处优先开裂；WM中含有晶内和晶界M₂₃C₆碳化物，疲劳后形成位错胞；BM2中弥散的M₂₃C₆碳化物阻碍位错运动，疲劳后位错沿马氏体板条边界积累并形成位错胞。疲劳后，BM1和BL的小角度晶界（LAGB）比例和GND密度增加，而WM和BM2的LAGB比例和GND密度降低，表明后者具有良好的变形协调能力。显微硬度分布显示，在HAZ1/BL试样中，FB1界面处的硬度最低；在HAZ2试样中，也存在一个硬度最低的软化区域，对应于过回火区（OTZ）。

4.3 HAZ1/BL和HAZ2试样的断口分析

HAZ1/BL试样的疲劳裂纹位于FB1界面，并在BL侧的碳贫化区内扩展。碳贫化区以块状铁素体为主，硬度最低，是焊接接头中最薄弱的疲劳微区。碳迁移的演化机制源于FB1界面两侧Cr含量的显著差异，在焊后热处理（PWHT）过程中，碳原子从BL侧向BM1侧发生上坡扩散，导致BL侧形成碳贫化区，BM1侧形成碳富集区并析出Cr₇C₃碳化物。EBSD分析表明，疲劳后碳贫化区的KAM值下降更显著，LAGB比例增加，表明该区域发生了更明显的位错滑移和塑性变形。HAZ2试样的疲劳裂纹在OTZ区域内扩展。疲劳后，OTZ的显微硬度降幅最大（47 HV），表明严重的循环软化是其早期疲劳损伤的主要原因。TEM观察显示，疲劳后OTZ形成了更大的位错胞，导致显著的循环软化和疲劳失效。

4.4 疲劳断口形貌

BM1、WM和BM2试样的疲劳断口由裂纹萌生、扩展和瞬断区组成。裂纹萌生通常起源于试样表面，存在多个萌生位置。BM1的扩展区可见清晰的疲劳辉纹和少量二次裂纹；WM的扩展区有浅疲劳辉纹和更丰富的二次裂纹；BM2的扩展区具有清晰疲劳辉纹和丰富二次裂纹。更丰富的二次裂纹能够分散裂纹扩展驱动力，降低裂纹扩展速率，从而改善WM和BM2的LCF性能。三个试样的瞬断区均呈现韧性断裂特征，表明它们具有良好的整体塑性。

五、总结与结论

本研究中，研究人员系统研究了带有BL的12%Cr/30Cr2Ni4MoV DMWJ的LCF行为。BM2、HAZ2和WM表现出优异的疲劳性能，但其相对排序取决于应变幅值。回火贝氏体和马氏体的交错分布增强了BM2的硬度和循环变形能力。细小的回火马氏体组织改善了HAZ2试样的LCF性能。针状贝氏体组织也使WM具有高疲劳寿命。相比之下，HAZ1和BL的试样表现出最低的疲劳寿命。疲劳试验后，HAZ1/BL试样断裂于FB1，其中BL内的碳贫化区代表了焊接接头中的最薄弱环节。一方面，硬度最低的碳贫化区因应变集中在HAZ1/BL试样的循环变形过程中经历疲劳裂纹萌生。另一方面，BL中粗大的M₇C₃碳化物加速了疲劳裂纹扩展，这也是HAZ1/BL试样疲劳寿命低的原因。相比之下，HAZ2试样的断裂发生在OTZ，该区域在高温和LCF加载条件下相对于WM优先软化。本研究为新型12%Cr/30Cr2Ni4MoV焊接汽轮机转子的制造工艺和服役安全提供了指导。