P91焊缝焊后直接升温热处理性能和组织变形

wgc2121

请教一下，谁接触过，如果P91焊缝焊接焊成后，立即进行350℃消氢处理，然后开始升温至740℃进行焊缝的去应力热处理，这么做焊缝力学性能和组织应该是什么情况

wangzeshi

针对P91（10Cr9Mo1VNb）焊缝焊接后立即进行350℃消氢处理+740℃去应力热处理的工艺，其焊缝力学性能和组织演变如下：

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### **一、组织演变过程**
#### 1. **消氢处理（350℃×2h）**
   - **作用机理**：  
     - 氢扩散系数在350℃时达峰值（≈1.5×10⁻⁶ cm²/s），可快速析出80%以上扩散氢（降至＜5ppm）。  
     - **组织状态**：保持焊接后的原始马氏体（板条状），未发生明显回火。  
   - **关键控制**：  
     - 必须在焊后24小时内完成（避免氢致裂纹）。  
     - 升温速率≤100℃/h（防止氢重新聚集）。

#### 2. **去应力退火（740℃×4h）**
   - **相变行为**：  
     - 在Ac1（≈810℃）以下，发生：  
       - 马氏体→回火马氏体（碳化物析出）  
       - 残余奥氏体（＜5%）分解  
     - 析出M₂₃C₆和MX（NbC/VN）型碳氮化物（TEM可见10-50nm颗粒）。  
   - **晶粒变化**：  
     - 原奥氏体晶界清晰（ASTM 8-10级），无再结晶。

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### **二、力学性能预测**
| **性能指标**       | 消氢后（350℃）          | 去应力后（740℃）        | 标准要求（ASME SA335） |
|--------------------|------------------------|------------------------|-----------------------|
| **硬度（HV10）**   | 380-420                | 220-250                | ≤250                  |
| **抗拉强度（MPa）** | 保留≥900               | 680-750                | ≥585                  |
| **冲击功（-30℃, J）** | 15-25（未改善）        | 45-65                  | ≥41                   |
| **残余应力（MPa）** | 焊接态（≈600）         | ≤150（降幅75%）        | -                     |

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### **三、关键影响因素**
1. **冷却速率控制**：  
   - 从740℃冷却时需保持50-80℃/h（空冷），避免：  
     - 过快（＞100℃/h）→ 二次硬化（硬度反弹）  
     - 过慢（＜30℃/h）→ 碳化物粗化（冲击韧性↓）  

2. **Nb/Ti微合金化**：  
   - 若焊材含Nb≥0.06%，740℃保温时MX相析出量增加，强度提高5-8%。  

3. **层间温度管理**：  
   - 多次循环热处理（如修复焊）可能导致：  
     - Z相（NbCrN）析出→ 韧性下降20-30%。  

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### **四、与常规工艺对比**
| **工艺路线**          | 组织特征                  | 冲击功（J） | 残余应力（MPa） |  
|-----------------------|--------------------------|------------|----------------|  
| 焊后直接740℃回火      | 粗大碳化物（100-200nm）    | 30-50      | 200            |  
| 消氢+阶梯升温回火     | 细密碳化物（20-50nm）      | 50-70      | ≤100           |  
| **本方案（消氢+740℃）** | 中等碳化物（50-100nm）     | 45-65      | 150            |  

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### **五、检测建议**
1. **氢含量检测**：  
   - 按ISO 3690测定消氢后焊缝氢含量（需＜3mL/100g）。  
2. **SEM-EDS分析**：  
   - 重点观察晶界M₂₃C₆分布（连续网状为不合格）。  
3. **小冲杆试验（SPT）**：  
   - 评估局部力学性能（尤其热影响区）。  

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### **六、风险预警**
1. **再热裂纹敏感性**：  
   - 在600-750℃慢速升温时，需控制速率≤55℃/h（避免σ相析出）。  
2. **氧化控制**：  
   - 740℃处理需通Ar保护（否则氧化皮厚度＞50μm）。  

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### **结论**
该工艺方案可行，但需注意：  
1. **消氢后必须缓冷至室温**再升温，避免氢陷阱效应；  
2. **740℃保温时间**按壁厚计算（建议2min/mm，但≤8h）；  
3. **最终性能**取决于焊材匹配性（推荐ER90S-B9焊丝）。  

实际应用前建议做工艺评定（WPS/PQR），重点关注-30℃冲击功与硬度分布。