孫榮敏 林澎 陸榮幸 馮樹強(qiáng)

1.柳州工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 廣西柳州 545000； 2.柳州市金百匯激光技術(shù)有限責(zé)任公司 廣西柳州 545003

中圖分類號(hào)：TG113.1；TG174.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

奧氏體型耐熱鋼，它是以鐵為基，以鉻、鎳、錳等為主要合金化元素，室溫下基體組織為奧氏體的鋼種，產(chǎn)量占不銹鋼總產(chǎn)量的50%～60%，由于產(chǎn)品長(zhǎng)期在高溫、高壓、腐蝕性氣體或液體環(huán)境中服役，為了保證產(chǎn)品的服役壽命和安全運(yùn)行，對(duì)材質(zhì)除了強(qiáng)度和塑性的要求外，耐高溫、耐腐蝕性能尤為重要。ZG40Cr25Ni20耐熱鋼是奧氏體型耐熱鋼的主要組成部分，近些年來，它以其相對(duì)良好的高溫力學(xué)性能及明顯的成本優(yōu)勢(shì)，在航空、航天、石油化工、冶金礦山、熱核反應(yīng)堆、大功率發(fā)電廠機(jī)組等行業(yè)和領(lǐng)域中的使用比例逐年遞增。目前的研究表明，對(duì)于提高此類奧氏體不銹鋼的高溫使用壽命的途徑，可以通過添加不同的合金成分和采取合理的熱處理工藝方式來實(shí)現(xiàn)。

1 ZG40Cr25Ni20耐熱鋼的失效機(jī)理與研究進(jìn)展

ZG40Cr25Ni20耐熱鋼是一種性能優(yōu)異的高溫合金，它常常被用在既要高溫抗氧化，又要抗磨損的環(huán)境中，又由于其多在持續(xù)燃燒的工作環(huán)境中，使它高溫失效的情況時(shí)有發(fā)生。疲勞開裂是奧氏體耐熱鋼主要失效形式之一。金屬疲勞斷裂的眾多研究都表明，應(yīng)力或應(yīng)變集中是斷裂發(fā)生的主要原因，表現(xiàn)為材料的疲勞破壞和蠕變破壞。

材料的疲勞一般是由于材料局部發(fā)生應(yīng)力集中，產(chǎn)生塑性變形，表現(xiàn)為由表及里的穿晶裂紋。蠕變破壞的發(fā)生一般是在高溫狀態(tài)下某一溫度時(shí)，材料承受應(yīng)力低于其屈服極限后，它會(huì)以緩慢的速度發(fā)生塑性變形，主要是由材料內(nèi)部孔洞在晶界形核長(zhǎng)大引起，最終產(chǎn)生沿晶裂紋。沈保羅[1]以貴陽某水泥廠的活動(dòng)篦板為研究對(duì)象，證實(shí)熱疲勞開裂是其溫度波動(dòng)造成的，服役溫度越高，溫度波動(dòng)越大，熱應(yīng)力也越大，當(dāng)碳化物在晶界上以網(wǎng)狀形式分布時(shí)，不但使奧氏體中的碳和合金元素含量降低、合金組織熱穩(wěn)定性降低，而且使晶界脆性增加，導(dǎo)致材料的脆性增大，就更容易產(chǎn)生裂紋；馬小明等[2]對(duì)ZG40Cr25Ni20篦板進(jìn)行掃描電鏡、金相、化學(xué)成分分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)環(huán)境溫度高于750℃時(shí)，鑄態(tài)下的基體奧氏體晶界處有連續(xù)網(wǎng)狀的碳化物析出，這些碳化物不但極大地降低了篦板的抗氧化性和塑性，而且更易于萌生裂紋；當(dāng)溫度上升到1000℃左右，共晶碳化物分解成游離的石墨分布在局部晶界處，由于石墨的強(qiáng)度很低，相當(dāng)于在基體上形成孔洞，孔洞給微裂紋擴(kuò)展創(chuàng)造了更有利的條件；梁偉成等[3]通過高溫顯微鏡原位觀察等實(shí)驗(yàn)手段發(fā)現(xiàn)ZG40Cr25Ni20耐熱鋼中碳化物的溶解溫度為1030～1250℃，因此ZG40Cr25Ni20耐熱鋼發(fā)熱管的使用溫度盡可能保持在溫度1030℃以下，防止析出物的長(zhǎng)大及溶解產(chǎn)生孔洞和微裂紋，引起構(gòu)件失效。張炎等[4]進(jìn)一步研究表明，蠕變是否對(duì)材料形成最終破壞取決于碳化物的穩(wěn)定性，當(dāng)沉淀型奧氏體耐熱鋼在高溫下長(zhǎng)期工作時(shí)，耐熱鋼中沉淀的第二相碳化物易粗化、聚結(jié)，強(qiáng)化作用減弱，得到的組織不夠穩(wěn)定，當(dāng)碳化物呈塊狀、網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)堆積分布時(shí)，是一種脆性相，將降低材料的性能，更容易發(fā)生材料失效，大連理工大學(xué)的許軍等[5]以服役兩年的25Cr35Ni型耐熱鋼為研究對(duì)象也證實(shí)了這一結(jié)論，研究發(fā)現(xiàn)服役后的材料性能惡化是由于材料晶界處的第二相出現(xiàn)網(wǎng)鏈狀，奧氏體基體碳化物粗化。由此可見，蠕變破壞是ZG40Cr25Ni20高溫合金發(fā)生失效的最主要原因之一，如果疲勞裂紋和析出碳化物石墨化同時(shí)產(chǎn)生，情況會(huì)更糟糕，二者相互促進(jìn)，使構(gòu)件提前失效，使用壽命更短。

2 合金元素對(duì)ZG40Cr25Ni20耐熱鋼組織和性能的影響

為了迎合不同的環(huán)境和使用要求，人們?cè)赯G40Cr25 Ni20耐熱鋼中添加不同的合金元素來達(dá)到使用目的。ZG40Cr25Ni20耐熱鋼是以Cr為主要合金元素，同時(shí)也可以復(fù)合添加Al、Si、W、Ti、Mo、Ni、Nb、Mn、V、Co等合金元素，它們可以增強(qiáng)奧氏體耐熱鋼在高溫服役過程中的組織穩(wěn)定性，提高材料使用壽命，更多的研究者通過優(yōu)化材料中合金成分和含量配比的方式來達(dá)到特殊的使用需求。

研究表明，Cr是鋼的高溫耐蝕性、抗氧化的關(guān)鍵性合金元素，除此之外，它不僅能固溶于基體中起到固溶強(qiáng)化的作用，還能形成沉淀型碳化物，起到沉淀強(qiáng)化的作用。畢繼鑫進(jìn)一步研究表明[6]，奧氏體耐熱鋼要在1100℃以下抗氧化，需要添加以鉻元素為主，硅、鋁為輔的合金元素，并且隨著硅、鋁元素的添加量增多，鋼的抗氧化性能會(huì)越好，但加入太多的量后，鋼的力學(xué)性能和工藝性會(huì)變差；為了改善力學(xué)性能變差，楊洋等[7]在奧氏體鋼中添加Nb元素，一方面它能使奧氏體組織的晶粒細(xì)化，且細(xì)化程度取決于Nb含量，但當(dāng)鈮含量達(dá)到1.5%時(shí)，組織中各類碳化物出現(xiàn)長(zhǎng)大粘連的現(xiàn)象，塑性就開始變差，另外當(dāng)溫度在1000℃和1200℃時(shí)，隨著Nb含量的增加和溫度繼續(xù)升高，耐熱鋼的抗氧化性能也急劇下降；劉銳卓[8]也發(fā)現(xiàn)當(dāng)Al含量增加到5.34%時(shí)，材料很難發(fā)生加工硬化且抗蠕變性能急劇下降；北京科技大學(xué)的周德強(qiáng)[9]調(diào)整Nb/C比至7.7～10時(shí)，在1023K溫度時(shí)也能析出大量的納米NbC相，從而大幅度提高其高溫耐蠕變性能；張炎等[10]通過實(shí)驗(yàn)詳細(xì)研究了合金元素添加量對(duì)材料力學(xué)性能的影響，得到最佳的鋁添加量為4.75%左右，此時(shí)材料抗氧化組織由最初的Fe抗氧化層和中間的細(xì)小尖晶石結(jié)構(gòu)B2-NiAl抗氧化層及內(nèi)層的Cr2O3抗氧化層的多層結(jié)構(gòu)統(tǒng)一轉(zhuǎn)變成單一致密的Al2O3氧化膜結(jié)構(gòu)，材料的高溫抗氧化性顯著提高；莊晟逸[11]對(duì)抗氧化性的機(jī)理進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)同時(shí)添加Mo、Nb、Mn、Al合金元素可以固溶于α-Cr2O3中形成的復(fù)合氧化物具有比α-Cr2O3更高的穩(wěn)定性，且在200～1000K范圍內(nèi)，隨溫度的增加Fe、Mo、Nb、Ni、Mn、Al、Si形成的復(fù)合氧化物穩(wěn)定性高于α-Cr2O3，尤其是Ni和Si形成的復(fù)合物，高溫時(shí)更為穩(wěn)定；王帥等[12]通過實(shí)驗(yàn)在考慮抗氧化的組成、高溫下的氧化速率、氧化物的抗脫落性三種影響因素下發(fā)現(xiàn)，稀土元素也對(duì)材料的高溫抗氧化性有重要影響，其中含Y鋼抗氧化性最佳，含Ce鋼次之。韓成府等[13]在Al元素的基礎(chǔ)上又添加了Ti、W，當(dāng)Al、Ti和W的含量分別為5.02%、0.61%和0.63%時(shí)，材料達(dá)到了完全抗氧化級(jí)別，耐磨性也比不添加合金元素的提高一倍，硬度隨著合金含量的增加也呈增大的趨勢(shì)，研究中還發(fā)現(xiàn)，Al與Ni易形成高硬度的Ni3Al相；Ti和W與C也易形成穩(wěn)定性高的TiC、WC碳化物微粒，使Cr不易形成Cr7C3型碳化物，而MC型碳化物的硬度遠(yuǎn)高于M7C3型碳化物，并且這些硬度較高的MC型碳化物彌散分布在晶內(nèi)和晶界上與Ni3Al硬質(zhì)相共同作用，提高了材料的硬度。一般來說，硬度越高耐磨性就越好，由此可見，添加合金元素Ti、W有利于提高材料的耐磨性，文獻(xiàn)[14，17]也證實(shí)了這一結(jié)論。但張銀輝[15]研究發(fā)現(xiàn)，如果同時(shí)添加Mo、W時(shí)，雖然會(huì)顯著促進(jìn)(Cr，F(xiàn)e)7C3、(Cr，F(xiàn)e)23C6、(Cr，F(xiàn)e)2(C，N)和χ相等富Cr相析出，但在1000℃高溫下，這些富Cr相會(huì)顯著粗化，也會(huì)降低合金的蠕變壽命；王蘭[16]在奧氏體耐熱鋼中同時(shí)添加W、Co元素，發(fā)現(xiàn)Co元素使基體組織的析出相的數(shù)量減少，W元素雖然能增加析出相的數(shù)量，但卻能使晶粒細(xì)化，當(dāng)添加量合適時(shí)材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度可顯著改善；張立生[17]詳細(xì)研究了Ti含量對(duì)ZG40Cr25Ni20硬度的影響，證實(shí)一定量的Ti，也可使其基體組織得到細(xì)化，Ti含量為0.15wt%時(shí)，組織為細(xì)化效果最好的樹枝晶，當(dāng)Ti含量1.5wt%時(shí)，硬度可達(dá)最大值。

綜上所述，除了主合金元素Cr是抗氧化和抗腐蝕外，Al、Mo、Co、W、Nb合金元素主要是通過晶粒細(xì)化來提高材料的力學(xué)性能，而Ti、Ni主要是形成硬質(zhì)合金相來提升硬度和高溫耐磨性。ZG40Cr25Ni20耐熱鋼很多情況下是通過復(fù)合添加多種合金元素來提升其整體使用性能，因?yàn)樵阡撹F材料的各種強(qiáng)化機(jī)制中，晶粒尺寸細(xì)化到一定程度時(shí)，強(qiáng)化效果很難再提升；固溶強(qiáng)化提高強(qiáng)度但效率便低；位錯(cuò)、相變強(qiáng)化提高強(qiáng)度明顯，但對(duì)鋼材塑性、韌性損害較大；沉淀強(qiáng)化雖對(duì)塑性的損害較小，但沉淀量的增加有限且機(jī)理復(fù)雜，操控難度大。文獻(xiàn)[18]研究后認(rèn)為，Ti-V-Mo是在奧氏體耐熱鋼中最佳微合金體系，可以得到最大沉淀量。由此可見，復(fù)合微合金化及其含量配比特別是高溫(超1000℃以上)下材料的變形機(jī)制仍是今后研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)方向。

3 熱處理方式對(duì)ZG40Cr25Ni20耐熱鋼組織和性能的影響

眾所周知，熱處理是材料改性的重要手段，適當(dāng)?shù)臒崽幚硎侄慰梢詷O大提升材料的綜合性能，擴(kuò)大材料的使用領(lǐng)域。早期對(duì)ZG40Cr25Ni20耐熱鋼主要是淬火處理，賈培剛[19]研究后認(rèn)為回火溫度對(duì)性能的影響較大，隨回火溫度的升高，力學(xué)性能呈下降趨勢(shì)且析出的碳化物呈積聚粒狀。通過對(duì)ZG40Cr25Ni20耐熱鋼在高溫下失效機(jī)理研究，鑄態(tài)下的基體組織使用前應(yīng)該做固溶處理或者其他熱處理，消除網(wǎng)狀碳化物帶來的不利影響；孫曉霞[20]對(duì)ZG40Cr25Ni20某型號(hào)燃?xì)舛姘惭b殼，溫度1080℃，保溫時(shí)長(zhǎng)90min，固溶處理后其抗拉強(qiáng)度比常溫和900℃高溫分別提高11%和14%，高溫下伸長(zhǎng)率提高14%；楊亞杰[21]研究后認(rèn)為，固溶處理是改善ZG40Cr25Ni20耐熱鋼晶間腐蝕最為重要的熱處理方式，但固溶溫度過高或過長(zhǎng)會(huì)影響鈍化膜的形成速度，特別是過飽和的碳與鉻元素結(jié)合使基體“貧”鉻，會(huì)降低晶間的鈍化能力；岳增武等[22]研究發(fā)現(xiàn)，噴丸處理可以為Cr提供了額外的擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)力，誘發(fā)基體產(chǎn)生馬氏體相變，馬氏體彌散分布于奧氏體中，提供了更多的晶界和相界，加快Cr的擴(kuò)散，能夠保證富Cr氧化層的穩(wěn)態(tài)生長(zhǎng)；張弘等[23]在不同溫度下固溶處理發(fā)現(xiàn)，細(xì)小、均勻可溶于基體組織的晶粒和第二強(qiáng)化相對(duì)材料的抗拉強(qiáng)度提升有利但會(huì)降低硬度。郝紅元等[24]研究認(rèn)為，復(fù)合添加Cr、Ni、W、Mo等合金元素的奧氏體耐熱鋼的最佳處理工藝為1160℃×2h(水冷)固溶+760℃×5h(空冷)時(shí)效，可獲得彌散分布的M6C、Laves相、M23C6、M2C、σ相等，具有很好的熱強(qiáng)性、熱穩(wěn)定性和抗氧化性。

綜上可知，熱處理工藝特別是溫度對(duì)處理的效果影響較大，要想獲得好的性能，需要控制處理后的組織，特別是沉淀型碳化物的形態(tài)、數(shù)量、大小對(duì)其使用性能起著決定性作用。激光表面改性技術(shù)與傳統(tǒng)熱處理工藝相比具有綠色、環(huán)保、清潔、無污染，過冷度大的特性，劉副廣等[25]、劉立君等[26]已經(jīng)將激光熔覆技術(shù)用于高溫耐熱鋼的修復(fù)強(qiáng)化，并取得了一定的成果。由此可見，激光表面改性技術(shù)具有廣闊的市場(chǎng)前景，但因其工藝的不可移植性，值得更多研究者對(duì)其深入研究。

4 ZG40Cr25Ni20耐熱鋼發(fā)展前景展望

隨著全球氣候變暖越演越烈，為了應(yīng)對(duì)碳排放量增多問題，ZG40Cr25Ni20等奧氏體型耐熱鋼必然將會(huì)面對(duì)更大的挑戰(zhàn)和更嚴(yán)苛的使用環(huán)境，相信隨著材料工作者對(duì)ZG40Cr25Ni20等奧氏體型耐熱鋼性能的深入研究，特別是多種合金元素添加后在高溫下相互作用的機(jī)理研究，ZG40Cr25Ni20等奧氏體型耐熱鋼將為現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展提供更好的零部件原材料，助力現(xiàn)代工業(yè)向更高的水平攀登。