G115钢真空电子束焊接接头630°C高温蠕变行为分析综述

G115钢真空电子束焊接接头630°C高温蠕变行为分析综述

1  引言

G115钢是中国自主研发的新型马氏体耐热钢，在630±20°C高温蒸汽条件下具有良好的显微组织稳定性、持久蠕变强度和抗氧化性能，已广泛应用于630°C超超临界机组再热蒸汽入口管道及中压空气阀等高温部件。作为关键的高温结构材料，G115钢焊接接头的性能直接关系到发电机组的安全高效运行。目前关于G115钢的研究主要集中在母材的高温性能方面，而对其焊接接头微观组织特征和高温蠕变行为的研究较为匮乏。真空电子束焊接（VEBW）作为一种高能束焊接技术，具有能量密度高、热影响区窄、焊接变形小等优点，适用于高质量焊接接头的制备。

针对上述问题，章友谊和苟国庆在AIP Advances期刊(2025年第15卷，第5期)上发布了名为“Analysis of the high temperature creep behavior of a vacuum electron beam welded joint of G115 steel at 630 °C"的论文。本文综述了采用VEBW制备G115钢焊接接头，并系统研究其在630°C、不同应力水平下高温蠕变行为的工作，重点分析了接头微观组织、蠕变变形规律及断裂机制。

2  材料与方法

试验采用经正火+回火热处理的G115马氏体耐热钢，正火温度1080°C，水冷2 h；回火温度780°C，空冷4.5 h。采用ZD150-60C高压真空电子束焊接设备，无填充材料焊接，真空度≤4×10⁻² Pa。焊接试板尺寸为200×150×30 mm，I形坡口，焊后于730±10°C进行高温回火8 h。

采用QBR-100蠕变试验机在630°C、180/200/220 MPa三种应力水平下进行单轴持久蠕变试验。通过光学显微镜（OM）、扫描电镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）和场发射透射电镜（FETEM）对焊接接头微观组织、蠕变断口及析出相进行表征。

图1  焊接试板装配示意图及蠕变试样尺寸

3  焊接接头微观组织

焊接接头宏观形貌显示焊缝均匀，焊缝与母材冶金结合良好，无明显焊接缺陷。焊缝正面宽度约5 mm，中部和背面约4 mm，深宽比为7.5:1，焊缝两侧热影响区（HAZ）宽度约1.5 mm。

母材显微组织为典型的板条状回火马氏体，原始奥氏体晶界清晰，板条束方向各异，晶界和板条周围分布有均匀的颗粒状析出相。焊缝金属由许多等轴晶和少量柱状晶组成，仍为板条状回火马氏体组织，无δ铁素体，晶粒较母材细小且分布不均匀。热影响区晶粒明显粗于焊缝金属，呈回火马氏体组织。

图2 焊接接头的宏观形貌和显微组织：（a）宏观形貌；（b）X射线检测图像；（c）母材；（d）熔合区

4  蠕变变形行为

630°C不同应力下G115焊接接头的蠕变曲线均包含减速、稳态和加速三个阶段。第一阶段（减速阶段）持续时间较短，随后进入持续时间最长的稳态阶段，蠕变速率几乎保持恒定，最后进入短暂的加速阶段。蠕变速率持续增加和应变快速积累导致明显的颈缩现象，最终发生断裂失效。

恒定温度下，随着应力增加，蠕变断裂时间显著缩短，最小蠕变速率显著增大。在630°C、180 MPa条件下，断裂时间为1062.12 h，最小蠕变速率为2.725×10⁻⁵ h⁻¹；在200 MPa条件下，断裂时间降至67.30 h，最小蠕变速率增至9.601×10⁻⁵ h⁻¹；在220 MPa条件下，断裂时间仅12.96 h，最小蠕变速率大幅增至2.992×10⁻⁴ h⁻¹。

图3  焊缝金属TEM照片：（a）马氏体组织；（b）板条束转变；（c）析出相

图4  630°C不同应力下焊接接头蠕变曲线（a-c）和蠕变速率曲线（d-f）

G115钢焊接接头在630°C不同应力下的蠕变断裂遵循Monkman-Grant（MG）方程：ε̇ₘᵢₙ^η · t_f = C_MG，其中η接近1，ε̇ₘᵢₙ为最小蠕变速率，t_f为蠕变断裂时间，C_MG为常数。线性拟合得到C_MG = 0.00347，R² = 0.9893，表明稳态蠕变阶段应变积累可忽略不计，而加速阶段应变积累显著。

图5  最小蠕变速率与断裂时间的关系（Monkman-Grant关系）

5  蠕变断裂行为与断口分析

不同应力下蠕变试样断裂时均存在不同程度的颈缩，低应力下蠕变断裂截面明显小于高应力。由于蠕变过程中应变硬化与截面收缩未同步，材料达到失稳点，断裂前出现明显的塑性流动，导致局部塑性变形和颈缩。低应力下蠕变断裂时间较长，塑性变形充分，断裂截面相对较小。

断口形貌观察表明，不同应力下蠕变试样断口均存在不同尺寸和深度的蠕变孔洞，孔洞附近出现许多连通的韧窝，韧窝微观结构显示明显的孔洞聚合。所有蠕变试样断裂均为韧性断裂。Knott提出的韧性断裂三阶段（孔洞形核、长大和聚合）在此得到验证：孔洞在第二相粒子或夹杂物附近形核，EDS分析表明孔洞中心较粗大的第二相粒子均为M₂₃C₆，说明蠕变过程中孔洞可能以碳化物为核心形核。

蠕变初期各孔洞独立长大，但随着孔洞长大并在附近产生大的塑性应变，孔洞之间相互影响。随着蠕变进行，塑性应变增加，导致孔洞持续长大和聚合。当孔洞达到临界尺寸时，孔洞之间的局部塑性失稳导致最终断裂。此外，孔洞附近出现滑移线。在低应力水平下，位错堆积与析出相钉扎作用达到平衡，位错状态相对稳定；在较高应力下，位错向析出相滑移，当运动能量超过析出相对基体的钉扎作用时，在析出相处形成孔洞。应力增加导致蠕变断裂时间和孔洞数量显著减少。

图6  蠕变试样断口形貌：180 MPa（a、c）和220 MPa（b、d）

6  结论

G115钢焊接接头焊缝金属晶粒细小，热影响区显微组织相对粗大，均为无δ铁素体的回火马氏体组织。部分板条束中观察到不充分的多边形化转变，板条边界附近存在大量M₂₃C₆和MX等碳化物相，并呈带状沿晶面连续分布。

630°C不同应力下焊接接头蠕变曲线包含减速、稳态和加速三个阶段，稳态阶段占蠕变周期主要部分。随着应力增加，蠕变周期显著缩短，最小蠕变速率增大。

焊接接头蠕变断裂遵循MG方程，C_MG值为0.00347，表明稳态蠕变阶段应变积累可忽略，而加速阶段应变积累显著。

不同应力下蠕变试样断裂均存在不同程度的颈缩，韧窝数量和尺寸差异明显，为韧性断裂。蠕变过程中孔洞持续聚合长大，当达到临界尺寸时，局部塑性失稳导致最终断裂。孔洞以M₂₃C₆碳化物为核心形核，应力增加导致蠕变断裂时间和孔洞数量显著减少。