基于脉冲GTAW的SA335 P91与SA218 P22异种钢管焊接：金相组织、结构完整性与熔盐热腐蚀行为

《Next Materials》：Dissimilar welding of SA335 P91 and SA218 P22 pipes fabricated through pulsed-GTAW: Metallographic, structural integrity, and molten salt hot corrosion behaviour

　　

摘要：研究人员采用脉冲电流钨极氩弧焊（PC-GTAW）方法，以ER-307不锈钢（SS）填充金属制备了SA335 P91合金钢与SA218 P22低碳钢的异种管接头，该接头用于热交换器管道系统。拉伸研究表明，断裂发生在SA218 P22侧，其极限抗拉强度（UTS）为520±1 MPa，屈服强度（YS）为338±2 MPa，而缺口拉伸研究显示出更高的强度，UTS为588±4 MPa，屈服强度为412±3 MPa，证实了与母材相比具有充分的焊接强度。场发射扫描电子显微镜（FESEM-EDS）分析证实了富Mo相以及M₂₃C₆碳化物析出物的存在，这导致焊缝区硬度增加。接头的夏比V型缺口冲击韧性较高，为71±2 J，满足了接头的最低要求。在K₂SO₄与60% NaCl混合盐环境下的腐蚀试验促进了加速的I型热腐蚀，焊缝区、P91和P22的抛物线速率常数分别为0.6314、1.003和1.248（10×10^?6）g2 cm^?4 s^?1，XRD和SEM/EDS证实ER-307焊缝上形成的保护性NiFe₂O₄/NiCr₂O₄尖晶石氧化物层限制了腐蚀性物质的侵入。

**论文解读：SA335 P91与SA218 P22异种钢管脉冲GTAW焊接接头组织、力学性能及熔盐热腐蚀行为研究**

**一、研究背景与问题**

在超临界火电厂、锅炉及管道系统中，蠕变合金钢SA335 P91与SA218 P22因其优异的热性能而被广泛应用。SA335 P91是一种蠕变抗力强的铁素体-马氏体合金钢，通过回火马氏体强化，能够在高温高压服役条件下保持优异的力学性能；而SA218 P22是低碳钢合金，具有良好强度和中等成形性，且具有较高的热导率。然而，这两种材料在异种焊接过程中存在诸多挑战。SA218 P22因铬（Cr）含量较低而耐腐蚀性较差，且在高温服役时易形成氧化铁皮（Fe₃O₄/Fe₂O₃），降低传热效率。此外，SA335 P91在蠕变循环条件下易产生IV型开裂。异种金属焊接时，母材间化学成分和热物理性能的差异会导致碳迁移、元素偏析、残余应力和组织不均匀等问题。已有研究比较了TIG和MIG焊接方法，但对于采用脉冲电流钨极氩弧焊（PC-GTAW）结合ER-307奥氏体不锈钢填充金属焊接P91/P22异种接头的系统研究仍相对有限。脉冲电流技术通过峰值电流与基值电流的交替变化，可实现焊缝金属的快速凝固和晶粒细化，有利于改善接头的力学性能和耐腐蚀性能。同时，高温腐蚀环境下的服役行为也是确保接头可靠性的关键因素。因此，有必要开展针对SA335 P91与SA218 P22异种管接头在PC-GTAW工艺下的微观组织、结构完整性及熔盐热腐蚀行为的系统研究。

**二、研究目的**

本研究旨在采用PC-GTAW方法，以ER-307不锈钢为填充金属制备SA335 P91与SA218 P22异种管接头，全面评估其金相组织特征、力学性能（硬度、拉伸性能、冲击韧性）以及在K₂SO₄+60% NaCl熔盐环境（700±1°C，50个循环）下的高温热腐蚀（HTC）行为，为火电厂高温服役条件下异种钢管接头的工程应用提供理论依据和工艺参考。

**三、关键技术与方法**

本研究使用了以下主要技术方法：采用了脉冲电流钨极氩弧焊（PC-GTAW）工艺，焊接参数为峰值电流150 A、基值电流75 A、电压13.4 V、脉冲频率10 Hz、焊接速度100 mm/min，填充金属为ER-307，保护气和背面保护气流量均为12 L/min；利用火花光谱法测定了母材及填充金属的化学成分；采用金相制样和光学显微镜及场发射扫描电子显微镜（FESEM）结合能谱分析（EDS）对焊接接头的微观组织和元素分布进行了表征；按照ASTM标准进行了维氏硬度测试、拉伸试验及夏比V型缺口冲击试验；对热腐蚀试样进行了X射线衍射（XRD）分析及SEM/EDS分析，以确定腐蚀产物物相组成和腐蚀层形貌特征。

**四、主要研究结果**

**4.1 微观组织与SEM/EDS分析**

母材显微组织显示，SA218 P22由铁素体和珠光体组成，而SA335 P91呈现回火马氏体组织，并伴有细小碳化物析出物。在熔合边界处观察到轻微的不混合区及元素向焊缝区的迁移。线扫描分析表明，Cr和C从SA335 P91向焊缝迁移，Fe从两侧母材向焊缝移动，焊缝区Ni含量较高。SA218 P22侧的碳在熔合边界处出现尖锐峰值，表明碳发生再分布。焊缝中部观察到柱状枝晶结构，EDS点分析确认焊缝区存在富Ni、Cr、Mo和C的细小析出物，Mo发生偏析，M₂₃C₆型碳化物在晶界处富集。

**4.2 结构完整性检验**

**4.2.1 硬度**

显微硬度测试结果显示，SA335 P91母材硬度为467±5 HV，焊缝区硬度为473±8 HV（略高），而SA218 P22母材硬度仅为254±4 HV。焊缝区硬度升高归因于Ni、Cr、Mo析出物及碳再分布。硬度从SA218 P22界面急剧下降，存在应力集中风险。

**4.2.2 拉伸与冲击性能**

拉伸试验显示断裂发生在SA218 P22侧，UTS为520±1 MPa，YS为338±2 MPa，伸长率为20±1%，呈韧性断裂模式。缺口拉伸试验获得更高的UTS（588±4 MPa）和YS（412±3 MPa）。焊接接头冲击韧性为71±2 J，高于两种母材（P91为59±3 J，P22为36±3 J），满足最低47 J的要求（EN 1557:1999）。断口分析显示准解理断裂模式，M₂₃C₆碳化物作为局部应力集中源。

**4.3 热腐蚀行为**

**4.3.1 宏观形貌**

循环腐蚀试验后，所有试样在首个循环后出现灰色变化，第5个循环后变为棕色。SA218 P22从第15个循环开始发生氧化皮剥落，而ER-307和SA335 P91试样在整个循环过程中未出现剥落。

**4.3.2 热重分析**

熔盐腐蚀的动力学遵循抛物线规律。ER-307焊缝的抛物线速率常数最低（0.6314×10^?6 g2 cm^?4 s^?1），低于SA335 P91（1.003×10^?6 g2 cm^?4 s^?1）和SA218 P22（1.248×10^?6 g2 cm^?4 s^?1）。表明ER-307焊缝具有更好的抗热腐蚀性能。

**4.3.3 XRD分析**

XRD分析显示，SA335 P91的主要腐蚀产物为Fe₂O₃、Cr₂O₃、FeCr₂O₄与CrMn₂O₄；SA218 P22以Fe₂O₃、Fe₃O₄、FeCr₂O₄和FeMnO₄为主；ER-307焊缝则以NiO、Cr₂O₃、NiFe₂O₄和NiCr₂O₄尖晶石氧化物为主，这层尖晶石结构有效地阻止了腐蚀性物质的向内扩散。

**4.3.4 SEM分析**

SEM/EDS分析表明，ER-307焊缝表面形成致密的Cr₂O₃保护层（8.9%）及NiO氧化物。SA335 P91表面存在Fe₂O₃和Cr₂O₃（5.5%）保护层，耐蚀性较好。SA218 P22表面主要为非保护性的Fe₂O₃（72.61%），Cr₂O₃仅为1.2%，且存在未溶解的K₂O低熔点共晶，导致严重的腐蚀攻击和剥落。

**五、讨论与结论**

研究结果表明，PC-GTAW方法结合ER-307填充金属能够获得无缺陷的SA335 P91/SA218 P22异种接头。焊缝区Ni、Cr、Mo富集析出物和M₂₃C₆碳化物提高了硬度，而奥氏体组织保证了优异的冲击韧性。在熔盐热腐蚀环境中，ER-307焊缝和SA335 P91表面形成的NiFe₂O₄/NiCr₂O₄和Cr₂O₃保护性氧化层有效限制了腐蚀性物质的传输，而SA218 P22因铬含量低、形成非保护性的富Fe低熔点共晶氧化物，耐蚀性较差。综合结构完整性和高温腐蚀性能，采用ER-307填充金属的PC-GTAW工艺是SA335 P91-SA218 P22异种管接头在火电厂服役条件下的可靠连接方案。本研究为异种耐热钢管道焊接工艺优化和服役寿命评估提供了重要的实验数据支撑。