高加強(qiáng), 洪 杰, 肖新星, 劉俊亮, 王起江

(寶鋼股份研究院,上海 201900)

節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境是目前世界各國(guó)普遍關(guān)注的問(wèn)題,在火力發(fā)電站的設(shè)計(jì)過(guò)程中必須考慮降低燃料消耗和減少CO2排放,這就需要提高電站鍋爐的蒸汽壓力和工作溫度,進(jìn)而對(duì)耐熱鋼提出了更高要求.鐵素體耐熱鋼相對(duì)于奧氏體耐熱鋼具有較高的熱導(dǎo)率和較小的熱膨脹系數(shù),且耐熱疲勞、工藝性能良好、性?xún)r(jià)比高,因而倍受人們青睞.

從傳統(tǒng)的Cr-M o鋼發(fā)展而來(lái)的9Cr-2W耐熱鋼是目前國(guó)際上使用溫度較高的鐵素體耐熱鋼之一,其典型成分是9Cr-1.8W-0.5Mo-VNb,可利用固溶強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化和析出相彌散強(qiáng)化等途徑獲得良好的抗高溫蠕變性能[1-4].

在高溫加載工作條件下,除了發(fā)生表層氧化腐蝕等損傷外,9Cr-2W耐熱鋼的組織演變(包括析出相的變化)對(duì)服役性能起著決定性的影響.該鋼種的持久蠕變性能是國(guó)際上的研究熱點(diǎn)之一[5-8],但國(guó)內(nèi)對(duì)其的研究還很少.9Cr-2W耐熱鋼的析出相尺寸較小且彌散分布,對(duì)析出相進(jìn)行深入研究非常重要.筆者利用光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡等儀器對(duì)國(guó)產(chǎn)9Cr-2W耐熱鋼的顯微組織進(jìn)行了分析,重點(diǎn)考察了正火、回火和高溫持久等狀態(tài)下的組織演變,研究9Cr-2W耐熱鋼的高溫強(qiáng)化機(jī)理,為壽命評(píng)估和失效分析提供依據(jù).

1 試驗(yàn)方法

9Cr-2W鐵素體耐熱鋼試樣的制備流程為:真空爐煉鋼均勻化熱處火(1 070℃×45 min)+回火(780℃×90 min)熱處理.9Cr-2W耐熱鋼的主要化學(xué)成分為0.097C-0.29Si-0.42M n-9.15Cr-0.43M o-1.70W-0.18V-0.07Nb-0.004B-0.05N,其余為Fe,符合ASME SA-213標(biāo)準(zhǔn)中 T92鋼的成分.按照GB/T 2039—1997標(biāo)準(zhǔn)制備持久試樣,在650℃、110 MPa下進(jìn)行持久試驗(yàn),考察其抗蠕變性能.

制備9Cr-2W耐熱鋼正火、回火和高溫持久等狀態(tài)下的金相試樣,用苦味酸溶液浸蝕后,采用LEICA DMRD正置式光學(xué)顯微鏡(OM)和JEOL JSM 6460掃描電子顯微鏡(SEM)分析 9Cr-2W耐熱鋼金相試樣的顯微組織.采用配備OXFORD-INCA能譜(EDS)分析附件的JEOL JEM 2100F透射電子顯微鏡(TEM),在200 kV下對(duì)9Cr-2W耐熱鋼萃取復(fù)型樣和電解雙噴制備的金屬薄膜樣的析出相進(jìn)行形貌、結(jié)構(gòu)及成分分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 9Cr-2W耐熱鋼正火態(tài)的組織結(jié)構(gòu)

圖1為9Cr-2W耐熱鋼正火態(tài)的顯微組織,由圖1可知其顯微組織為馬氏體,而從SEM分析結(jié)果可見(jiàn)馬氏體板條內(nèi)部有細(xì)小點(diǎn)狀析出相.

圖1 9C r-2W耐熱鋼正火態(tài)的顯微組織Fig.1 Microstructure of normalized 9Cr-2W heat-resistant steel

對(duì)9Cr-2W耐熱鋼正火態(tài)萃取復(fù)型樣進(jìn)行分析,其TEM分析結(jié)果見(jiàn)圖2.可見(jiàn)針狀析出相為含有少量Cr元素的滲碳體,一般長(zhǎng)約100 nm,寬度約10 nm;而球形或橢球形析出相為MX型析出相,主要成分為Nb以及少量的V元素,尺寸為幾十到上百nm,在晶界和晶內(nèi)隨機(jī)分布,這是由于高溫時(shí)Nb化物形成而V固溶在基體中,正火后形成不含或含少量V的NbX析出相.

圖2 9C r-2W耐熱鋼正火態(tài)萃取復(fù)型樣中的析出相Fig.2 Precipitates in extraction replica of normalized 9Cr-2W heat-resistant steel

2.2 9Cr-2W耐熱鋼回火態(tài)的組織結(jié)構(gòu)

圖3(a)為9Cr-2W耐熱鋼回火態(tài)的金相,可見(jiàn)其顯微組織為回火馬氏體,平均晶粒尺寸為15μm左右,從圖3(a)中還可知原奧氏體被分為馬氏體板條,并進(jìn)一步分為小塊.圖3(b)為9Cr-2W 耐熱鋼回火態(tài)的SEM分析結(jié)果,可見(jiàn)析出相大多沿晶界分析,且相對(duì)晶粒內(nèi)部,原奧氏體晶界上的析出相較大且較多.

9Cr-2W耐熱鋼回火態(tài)萃取復(fù)型樣的TEM分析結(jié)果示于圖4.從圖4(a)可見(jiàn),析出相大部分分布在原奧氏體晶界或馬氏體板條界上且比較粗大,從圖4(b)可見(jiàn),析出相在晶內(nèi)分布較少且較為細(xì)小.對(duì)圖4(a)中的A處及圖4(b)中的B處和C處進(jìn)行選區(qū)電子衍射(SAD),結(jié)果分別示于圖4(c)、圖4(d)和圖4(e)(電子束入射方向分別為[012]、[111]和[001]).由圖4(c)～圖4(e)可見(jiàn),晶界上和晶內(nèi)粗大的析出相(100～300 nm)為面心立方的M 23 C6型析出相,而晶內(nèi)非常細(xì)小的析出相(50 nm以下)為面心立方的MX型析出相.

圖3 9C r-2W耐熱鋼回火態(tài)的顯微結(jié)構(gòu)Fig.3 Microstructure of tempered 9Cr-2W heat-resistant steel

圖4 9Cr-2W耐熱鋼回火態(tài)復(fù)型樣的析出相Fig.4 Precipitates in extraction replica of tempered 9C r-2W heat-resistant steel

采用TEM的掃描模式對(duì)9Cr-2W耐熱鋼回火態(tài)金屬薄膜樣品中的析出相進(jìn)行能譜分析,結(jié)果顯示晶界上粒徑較大的析出相含有Cr和Fe元素,對(duì)應(yīng)于M23C6型析出相(圖5中的A處);而晶內(nèi)細(xì)小MX型析出相的主要成分為V和Nb(圖5中的B處和C處),可將其表示為(V,Nb)(C,N).

由以上分析可知,相對(duì)于正火態(tài)試樣,回火處理使得原來(lái)的滲碳體溶解,Cr與C結(jié)合形成含Cr及少量Fe元素的M23C6型析出相;而固溶的V元素也在回火時(shí)析出,部分VX在馬氏體板條界上析出,還有部分V元素以原有的NbX析出相為核心形成MX復(fù)合析出.

2.3 9Cr-2W耐熱鋼持久斷裂試樣的組織結(jié)構(gòu)

9Cr-2W 耐熱鋼經(jīng)回火后,再在 650℃、110 MPa應(yīng)力下進(jìn)行持久試驗(yàn),經(jīng)2 521 h后試樣斷裂.持久斷裂試樣表面氧化嚴(yán)重,斷口在標(biāo)距內(nèi),斷面與軸線(xiàn)垂直、凹凸不平且邊緣多毛刺,試樣頭部夾持處、標(biāo)距內(nèi)和斷口處的顯微組織基本一致.圖6給出了持久斷裂試樣標(biāo)距內(nèi)(均勻變形)的顯微組織分析結(jié)果.由圖6可知,持久斷裂試樣的顯微組織均為回火馬氏體,內(nèi)有大量析出相.需要指出的是持久斷裂試樣不同位置處的金相略有差異,斷口處晶粒明顯拉長(zhǎng)、多孔洞且析出相較大,說(shuō)明變形會(huì)影響元素的遷移,導(dǎo)致析出相長(zhǎng)大.

圖5 9Cr-2W耐熱鋼回火態(tài)金屬薄膜樣的析出相分析(A、B、C為 EDS分析點(diǎn))Fig.5 Precipitates in foil specimen of tempered 9C r-2W heat-resistant steel

持久斷裂試樣均勻變形區(qū)金屬薄膜的TEM分析結(jié)果見(jiàn)圖7.由圖7可見(jiàn),持久斷裂試樣金屬薄膜的顯微組織仍為回火馬氏體,板條尺寸為0.5～1 μm,板條內(nèi)分布有少量位錯(cuò).相對(duì)于回火態(tài)試樣,其馬氏體板條略有拉長(zhǎng),位錯(cuò)密度略有降低.持久斷裂試樣中有大量析出相,主要出現(xiàn)在馬氏體板條界和亞晶邊界上,其中粗大析出相的尺寸約為200～400 nm,三叉晶界上的析出相尺寸更大,約為500 nm.在馬氏體板條內(nèi)也存有少量細(xì)小析出相.

由圖7(a)中A處的SAD分析可知,尺寸為500 nm左右的析出相含有密排六方的Laves相(圖7(b)),而尺寸為200 nm左右的析出相為面心立方的M 23 C6相.析出相在板條界和亞晶界分布較多,從而可以阻礙晶界移動(dòng),實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化作用.從明場(chǎng)像中可見(jiàn),細(xì)小MX型析出相附近有位錯(cuò)塞積,說(shuō)明細(xì)小析出相可以阻礙位錯(cuò)移動(dòng),也可起到強(qiáng)化耐熱鋼基體的作用.

圖6 9Cr-2W耐熱鋼650℃-110 MPa持久斷裂試樣的顯微組織Fig.6 Microstructure of 9Cr-2W specimen after creep-rupture test at 650℃/110 MPa

圖7 9C r-2W耐熱鋼650℃-110 MPa持久斷裂試樣金屬薄膜的顯微組織Fig.7 Precipitates in foil specimen of 9Cr-2W heat-resistant steel after creep-rupture test at 650℃/110 MPa

采用掃描透射模式對(duì)持久斷裂試樣金屬薄膜的析出相進(jìn)行微區(qū)成分分析,發(fā)現(xiàn)馬氏體板條界上的粗大析出相富含F(xiàn)e、W及Cr等元素,結(jié)合選區(qū)電子衍射分析結(jié)果可以確定此類(lèi)析出相含有Laves相;而在晶界上尺寸為100～300 nm的析出相則為富含Cr和Fe元素的M 23 C6型析出相;分布于亞晶粒內(nèi)、尺寸為50～100 nm的細(xì)小析出相為富含V和Nb等元素的MX型析出相.

對(duì)單獨(dú)一個(gè)粗大析出相進(jìn)行線(xiàn)掃描成分分析,結(jié)果示于圖8.根據(jù)特征成分可知,該析出相是由150 nm的富含W的 Laves相、100 nm的富含Cr的M 23 C6型析出相和50 nm的富含V的析出相復(fù)合而成的.這說(shuō)明9Cr-2W 耐熱鋼在650℃、110 MPa條件下持久2 500 h以上,晶界上出現(xiàn)了粗大(約500 nm)的析出相,它是由幾個(gè)不同類(lèi)型的析出相在時(shí)效或蠕變過(guò)程中組合形成的[9-10].由此可見(jiàn),9Cr-2W耐熱鋼在持久過(guò)程中發(fā)生了合金元素的再分配,導(dǎo)致析出相長(zhǎng)大并產(chǎn)生了新的析出相.粗大的析出相不再起強(qiáng)化作用,反而會(huì)引起微裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展,并最終導(dǎo)致耐熱鋼蠕變斷裂[11].

圖8 9Cr-2W耐熱鋼650℃-110 MPa持久斷裂試樣的析出相Fig.8 Precipitates in 9C r-2W heat-resistant steel after creep-rupture test at 650℃/110MPa

3 結(jié) 論

(1)9Cr-2W耐熱鋼正火態(tài)的顯微組織為馬氏體,而回火態(tài)和持久斷裂試樣的顯微組織為具有板條特征的回火馬氏體.持久斷裂試樣的馬氏體板條略有拉長(zhǎng).

(2)9Cr-2W耐熱鋼正火態(tài)含有幾十到上百nm的富含Nb的MX型析出相以及幾十nm的針狀滲碳體;其回火態(tài)主要有2種析出相,即100～300 nm的M23C6型析出相和50 nm左右的MX型析出相,前者含有Cr及Fe元素,主要分布在晶界和亞晶界上,后者含有Nb和V元素,隨機(jī)分布;9Cr-2W 耐熱鋼650℃-110 MPa持久斷裂試樣中的析出相主要是100～300 nm 的M 23 C6型析出相、50～100 nm左右的MX型析出相以及少量尺寸在100～500 nm左右的Laves相,其中Laves相主要分布在馬氏體板條界上.

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