奧氏體系耐熱鋼熱處理的研究動向
時間：2019-06-13
作者：無錫不銹鋼板
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為減少CO2的排放量，對A-USC設(shè)備進(jìn)行廣泛的研究開發(fā)。23Cr-45Ni-7W合金（ASTM UNS N06674）是一種通過強化Laves相析出來提高蠕變強度的材料，它是A-USC設(shè)備中的高溫蒸汽配管和鍋爐管的替補材料。鍋爐管在施工時有時要進(jìn)行冷彎曲，因此要弄清在加工時的特性變化。有研究報告就冷加工對該合金的蠕變強度特性的影響進(jìn)行了評價。
對耐熱強度比以往的耐熱鋼好的Ni基超合金在700℃級A-USC汽輪機的透平葉輪的應(yīng)用進(jìn)行了研究。作為A-USC透平葉輪用Ni基合金，開發(fā)了Ni-0.05C-18Cr-13Co-9Mo-1.3Al-1.4Ti-0.1Ta-0.3Nb合金，該合金以鉻鎳鐵耐熱合金617（ASTM UNS N06617）為基礎(chǔ)材料，對合金成分進(jìn)行了調(diào)整改進(jìn)。有研究報告就熱處理條件對該合金的機械性能的影響進(jìn)行了研究。
作為可應(yīng)用于蒸汽溫度達(dá)700℃級的超超臨界壓力（A-USC）發(fā)電機組的葉輪箱和噴嘴箱等的鑄造部件的Ni基合金材料，有研究報告就Al和Ti添加量對Ni-0.07C-13Cr-9Mo-19Cr-0.1Ta-0.3Nb-Al-Ti合金機械性能的影響進(jìn)行了評價。該合金在以ASTM UNS N06617（相當(dāng)于合金617）為基礎(chǔ)的材料中復(fù)合添加了Ta和Nb。
有研究報告研究了析出強化型鍛造Ni基超合金Ni-19Cr-12Co-6Mo-2Al-3Ti-1W-0.05C-0.005B合金在700℃級A-USC汽輪機用旋轉(zhuǎn)部件應(yīng)用的情況。結(jié)果可知，作為金屬互化物的相在噴管溫度850℃時會以針狀析出。因此，對時效材進(jìn)行了低循環(huán)疲勞試驗和抗拉試驗，研究了相對機械性能的影響。
為使Fe-18.4Cr-31.0Ni-3.3Nb合金能應(yīng)用于蒸汽溫度達(dá)700℃級的A-USC機組，提出了新的Fe-18.4Cr-31.0Ni-3.3Nb合金（mass%），它以含有Nb的金屬互化物作為強化相。該合金的晶界幾乎被作為TCP相的Laves相所覆蓋，且由于晶粒內(nèi)有GCP相的Ni3Nb相的析出，因此具有良好的高溫強度。為提高耐熱材料的耐蝕性，必須添加Cr，但關(guān)于該合金的Cr添加量與組織的關(guān)系尚不明確。因此，有研究者以18Cr添加材為基礎(chǔ)，對Cr添加量的增減量在1623mass%時的組織變化和蠕變特性的關(guān)系進(jìn)行介紹。
為提高火力發(fā)電設(shè)備的發(fā)電效率，因此積極推進(jìn)了700℃超級超超臨界壓（A-USC）發(fā)電設(shè)備的開發(fā)。在這些開發(fā)項目中（有歐洲的Thermie700和美國的DOE-Vision21等），作為可在嚴(yán)酷環(huán)境下使用的鍋爐設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)替代材料之一是合金617（JIS-NW6617）。因此，有研究報告對NW6617的高溫抗拉特性和各種波形的低循環(huán)疲勞特性進(jìn)行了評價，并結(jié)合斷面觀察，弄清了詳細(xì)的高溫強度特性，同時對蠕變疲勞壽命的損傷進(jìn)行了評價。尤其是，通過奧氏體系耐熱鋼和高鉻鐵素體系耐熱鋼等的比較，弄清了NW6617高溫特性的特征。
Fe-Ni合金HR6W（Fe-23Cr-45Ni-5/7W-Ti,Nb）是A-USC鍋爐用配管的替代材料。眾所周知，鍋爐配管一般是大口徑管，焊接時在焊接熱影響區(qū)會發(fā)生殘余應(yīng)力。作為降低這種殘余應(yīng)力的方法有SR（應(yīng)力消除）處理法，但它對HR6W的處理條件尚不明確。因此，為確認(rèn)SR處理條件，對SR處理后的顯微組織變化、焊接后的材質(zhì)和母材進(jìn)行了應(yīng)力松馳試驗。其后，有研究報告對HR6W經(jīng)SR處理后的蠕變斷裂強度進(jìn)行了調(diào)查。
為開發(fā)新一代高效700℃級A-USC設(shè)備，至今已開發(fā)了各種各樣的合金。尤其是，最近以含有Nb的金屬間互化物作為強化相的新型Fe-18.4Cr-31.0Ni-3.3Nb合金（mass%）的研究也正在積極進(jìn)行之中。有研究者對這種合金在Cr添加量變化時的組織變化和蠕變特性進(jìn)行了調(diào)查，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Cr添加量達(dá)到23mass%時，蠕變強度會大大下降。因此，為使晶內(nèi)強化相更加細(xì)化穩(wěn)定，選擇了Zr作為添加元素，并研究了Zr的添加對Cr合金的組織變化和蠕變特性變化的影響。
為開發(fā)700℃級A-USC發(fā)電設(shè)備，對以兩個金屬間互化物（TCP相和GCP相）作為強化相的新型奧氏體系耐熱鋼Fe-20Cr-30Ni-2Nb（at.%）進(jìn)行了設(shè)計。該鋼可以滿足A-USC鍋爐管所要求的特性（700℃、105h蠕變斷裂強度100MPa以上），這是因為Fe2Nb-Laves相（TCP相）可以強化晶間析出所致。因此，為弄清這種強化機理在800℃級發(fā)電設(shè)備（FA-USC）的應(yīng)用，有研究報告對只有Laves相析出的1073K蠕變特性進(jìn)行了調(diào)查，主要著眼于晶界Laves相來研究它與組織的關(guān)系。
因晶界TCP-Fe2NbLaves相和晶內(nèi)GCP-Ni3Nb相而受到強化的Fe-20Cr-30Ni-2Nb（at.%）的蠕變強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有鋼種。該鋼基本滿足了700℃級A-USC發(fā)電設(shè)備的目標(biāo)值（700℃、100MPa、105h）。而且，對可用于更高蒸汽溫度800℃的耐熱鋼進(jìn)行了設(shè)計。在鍋爐管內(nèi)800℃的水蒸汽環(huán)境下為維持材料的蠕變強度，材料的抗氧化特性也是很重要的。因此，有研究報告對該鋼在模擬實際發(fā)電設(shè)備鍋爐管在水蒸汽氣氛條件下的蠕變行為進(jìn)行了調(diào)查，并與在大氣中的試驗結(jié)果進(jìn)行了比較。
作為可用于700℃級A-USC發(fā)電機組鍋爐管的新型耐熱鋼，提出了Fe-20Cr-30Ni-2Nb鋼，實際使用表明該鋼通過使TCP相（Fe2Nb-）向晶界析出和使GCP相（Ni3Nb-）向晶內(nèi)析出而具有良好的蠕變特性。它為可承受蒸汽溫度達(dá)800℃的超耐熱鋼的開發(fā)提供了幫助。如果構(gòu)成兩種化合物的過渡金屬元素M是不同的，那么通過獨立控制晶界（Fe2M1）和晶內(nèi)（Ni3M2）的組織，就可以進(jìn)一步提高強度。因此，從-Fe/TCP相間的相平衡的觀點來看，有研究報告指出可以在固定Nb后選擇過渡金屬元素M作為Fe-Ni-Nb-M4元系金屬，并對/TCP/GCP相間的相平衡和Nb及M在各相的分配進(jìn)行了研究。