T91-T22鉻鉬鋼異種金屬銲道破壞機制分析與銲接方法改進(II)

鉻-鉬(Cr-Mo)鋼具有優良的銲接性質、高溫機械性質及高溫抗氧化能力，因此近年來大量使用於眾多的高溫、高壓場合中，如電廠中蒸汽產生器中之過熱器等。為了降低設備成本，不同成份的鉻鉬鋼經常透過異種金屬銲接的方式而同時使用在同一設備中，此類重要之設備在設計製作之初，均經過非破壞檢測以確定無銲接缺陷，然而高溫長時間使用所伴隨而來的材料冶金及銲件機械性質變化，可能導致不同形式的破壞問題。本研究針對9Cr-1Mo 鋼及2.25Cr-1Mo 鋼之異種鋼材蒸汽管件(T91-T22)銲道破損案例進行研究。根據現場破損試片的分析結果，裂紋發生於T22 母材與銲道交界附近，研判其形成原因可能是異種鋼材(T91 及T22)銲道於高溫使用後，於低合金母材(T22)發生碳遷移(carbon migration)現象及形成軟化區有關。相關文獻與本計畫初期可行性研究結果顯示，當T91 與T22 直接進行銲接且經過長時間高溫使用後，T22 銲縫邊緣區會形成一個低碳軟化區(soft zone)，而在T91 銲縫邊緣則形成高碳硬化區(hard zone)。軟化區與硬化區的寬度與硬度變化則隨著高溫使用時間的增加而愈趨顯著，進而可能導致裂紋的發生。為了避免此種銲件使用缺陷，目前國際間均採取使用鎳基填料的方式以阻止碳遷移，但是現場實際使用的經驗顯示，鎳基填料敷銲仍不足完全阻止碳遷移現象，因此在國內近年來已經發生數次類似的銲件破壞，導致極為嚴重的經濟損失與工安危害。本研究方向在於嘗試使用不同的銲接填料進行異種金屬銲接(T91 及T22)，主要的成份變數乃是填料中的碳含量變化與V、Nb、Ti 添加物，藉以形成高碳層以逆轉碳原子的擴散方向，從而抑制T22 內部軟化區的形成。另外藉由V、Nb、Ti 以形成碳化物，進一步阻止碳向鎳基敷銲層方向擴散所造成的硬化層。異種金屬銲件之後再經過高溫且長時間下進行模擬使用熱處理(ISHT)，研究其銲後長時間使用銲道顯微組織及機械性質的變化，並以EDS 及EPMA 進行化學成份分析，針對碳遷移現象進行深入探討。初期的可行性研究結果顯示，高碳填料敷銲層確實可以有效避免高溫長時間使用後形成軟化區，而添加少量釩則顯著減緩碳原子的擴散與硬化層的形成，進一步大幅提昇銲件的機械性能，足證本研究的推論方向正確可行且效果顯著。本二年期計畫主要之研究目的與步驟包括：I、裂紋發生原因探討1分析破壞發生原因：分析各種異種銲接接頭經長時間高溫使用後，顯微組織與機械性質之變化，進一步探討破壞發生原因。2熱處理條件影響：進行不同時間及溫度下的熱處理，以研判造成軟、硬化區裂紋破壞形成的真實因素。II、改善方法探討1現行銲接方法探討：分析業界目前現行之銲補維修方式是否有效。2改進銲補維修方法：以力學及冶金的觀念為出發點，提出敷銲高碳/合金添加填料的方式來改善軟、硬化區裂紋。在銲接試片經過模擬使用狀態熱處理(ISHT)後，利用微硬度試驗、彎曲試驗、化學成份分析(EDS)找出其合理之製程參數。3開發適當填料成份：本新式銲補維修方法所使用填料之合金成份較特殊，主要所需合金方向包括：高碳含量與適當釩、鈮、鈦含量以避免碳遷移現象。III、電腦有限元素模擬建構主蒸汽管之立體模型，藉由電腦有限元素法模擬銲接過程中，銲道、熱影響區及母材之溫度變化，從熱膨脹的觀點切入，分析出熱膨脹對於麻田散鐵相變化及回火碳化物區域範圍之影響，並藉以得知改善方法，並確認改善方法之有效性。

系統編號:PB9907-10767
原計畫編號:NSC99-2221-E182-019