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《大连理工大学》 2003年
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一种低铬高锰奥氏体钢焊接材料的研究

王立刚  
【摘要】:国内外石油化工装置和电站的高温压力容器管线及锅炉蒸汽管道等大量使用Cr-Mo类珠光体热强钢。这些Cr-Mo钢工艺管线和管道大都采用奥氏体不锈钢焊接材料焊接。但多年来其异质接头在高温服役过程中的提前失效问题一直未能得到解决。异质接头提前失效的原因主要有两个方面,其一是熔合界面两侧焊缝金属和Cr-Mo钢母材金属之间的热膨胀系数不匹配导致的高温服役过程中产生热应力;其二是在高温服役过程中由于熔合界面两侧碳的化学势梯度导致熔合区产生越过熔合界面的碳扩散。碳扩散的结果是在紧邻熔合界面的焊缝金属一侧形成高硬度的增碳层,母材金属一侧产生硬度较低的贫碳层。贫碳层的产生导致母材金属侧高温强度下降;增碳层的产生使得焊缝金属一侧脆性增大、韧性下降。热应力和增、贫碳层的产生使得异质接头成为高温服役构件的薄弱部位,容易产生提前失效和突发性断裂事故,造成巨大的经济损失和人员伤亡。 因此,研制一种替代Cr-Ni奥氏体不锈钢的新型焊接材料解决这类异质焊接接头的失效问题成为国内外亟待解决的难点。“低铬奥氏体焊接材料的开发与应用”正是为解决上述问题立项的国家“九五”科技攻关课题,也是本论文选题和承担的主要研究工作。本论文在分析以往异质接头失效机制、影响因素和本课题的前期工作基础上,通过合金的成分优化设计、冶炼、锻轧、冷拔、焊丝制备、焊条制备以及焊接接头组织性能测试等研究过程,成功开发、研制了一种新型的低铬奥氏体钢焊接材料。利用所研制的新型低铬奥氏体焊接材料焊接Cr-Mo类珠光体热强钢,有效地解决了其异质接头的提前失效问题。此外,本论文还深入研究了新型低铬奥氏体焊接材料与Cr-Mo钢焊接接头在时效过程中焊接熔合区的组织结构演变过程和碳元素及其他合金元素在熔合区的扩散行为。本论文的创新性成果如下: 1.在合金成分设计中,与以往的奧氏体不锈钢焊接材料的化学成分相比,采用低的铬含量来降低异质接头熔合区两侧碳的化学势梯度,进而减小和抑制异质接头时效或高温服役过程中越过熔合界面的碳的“上坡”扩散。为获得稳定的奥氏体组织并节省Cr、Ni资源,采用较高的Mn含量,并与低铬和一定量的Ni含量相配合,并通过调整Cr、Ni当量的方法达到新型焊接材料的热膨胀系数与Cr-Mo钢母材金属相匹配。为提高合金的焊接性能和细化晶粒,适当加入Mo、Ti、Si等微量元素。 2.在低铬奥氏体焊条药皮的制备过程中,根据所研制的低铬奥氏体合金的成分、性能特点,设计了一种新型碱性药皮焊条。其特点是可以用于交直流焊接,并成功解决了以往奥氏体不锈钢焊条的发红、脱落问题。 3.经工艺试验、组织性能评估,所研制的低铬奥氏体钢焊接材料具有较好的冷、热 摘要 加工性能,其力学性能及抗氧化性能优于Cr一Mo钢母材,热膨胀系数与母材相匹配。采 用该种焊接材料作为填充金属用于Cr-M。钢的焊接,其异质接头与母材金属强度相当, 可以很好的解决以往奥氏体不锈钢焊接材料焊接的Cr一Mo钢异质接头的提前失效问题。 4.与以往的E309一15、E309一16与Cr一M。钢焊接的异质接头相比,采用所研制的低铬 奥氏体焊接材料与Cr一M。钢焊接的异质接头,其熔合区增碳层的组织结构演变规律和增 碳层中析出的碳化物类型是完全不同的。在高温长期时效过程中,熔合区增碳层演变的 动力学过程是:时效初期,熔合区出现宽度较窄的增碳层;随时效时间的延长或时效温 度的升高,时效初期生成的增碳层宽度开始逐渐变小,直至最后消失;时效初期熔合区 增碳层中析出的碳化物主要是M3C型合金渗碳体,随时效时间的延长,该种M3C型碳 化物将发生分解、回溶,从而导致熔合区增碳层的消失。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2003
【分类号】:TG42

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