劉潤(rùn)，劉俊建，王萬(wàn)里，吳躍，王嚴(yán)，湯文明

服役態(tài)Super304H耐熱鋼管顯微組織演變及高溫力學(xué)性能研究

劉潤(rùn)1，劉俊建2,3，王萬(wàn)里2，吳躍2,3，王嚴(yán)2，湯文明1

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，合肥 230009；2.大唐鍋爐壓力容器檢測(cè)中心有限公司，合肥 230088；3.大唐華東電力試驗(yàn)研究院，合肥 230088）

探究服役Super304H鋼管外壁粗晶組織演變及其對(duì)高溫力學(xué)性能的影響，為超超臨界機(jī)組運(yùn)行管理與安全評(píng)估提供技術(shù)支持。針對(duì)不同服役時(shí)間的Super304H耐熱鋼管，開(kāi)展顯微組織演變及650 ℃高溫拉伸力學(xué)性能研究，著重探討鋼管外壁奧氏體晶粒異常長(zhǎng)大、第二相析出長(zhǎng)大及其對(duì)鋼管高溫力學(xué)性能的影響規(guī)律。服役態(tài)Super304H鋼管中的第二相以富銅相、MX相及M23C6相為主，其外壁奧氏體晶粒異常長(zhǎng)大，形成粗晶區(qū)，而靠近內(nèi)壁鋼管中的奧氏體晶粒長(zhǎng)大不明顯，為細(xì)晶區(qū)。相對(duì)于細(xì)晶區(qū)，粗晶區(qū)奧氏體晶界及晶內(nèi)析出更多的第二相，尺寸更大，彌散度降低，導(dǎo)致粗晶區(qū)高溫拉伸性能顯著降低。長(zhǎng)期高溫運(yùn)行的Super304H耐熱鋼管應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)督，消除因外壁奧氏體晶粒異常長(zhǎng)大而帶來(lái)的脹管等安全隱患。

超超臨界機(jī)組；Super304H鋼管；晶粒尺寸；第二相；顯微組織演變；高溫力學(xué)性能

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，對(duì)能源的需求量不斷增加，以火力發(fā)電為主的電力結(jié)構(gòu)會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題，發(fā)展高參數(shù)的超超臨界火電機(jī)組能夠有效減少煤炭消耗量，提高發(fā)電效率，降低環(huán)境污染[1-3]。

超超臨界機(jī)組的主蒸汽溫度一般超過(guò)600 ℃，對(duì)受熱面管的要求非常高[4]。Super304H奧氏體耐熱鋼是日本住友公司在TP304鋼的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出來(lái)的，通過(guò)降低Mn含量，增加C含量，添加約3%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Cu、0.5% Nb以及微量的N元素制成。Cu、Nb、N的加入，使得該鋼在高溫下的組織穩(wěn)定性提高，同時(shí)其高溫強(qiáng)度和抗蠕變性能也得到提升[5-7]。得益于良好的高溫力學(xué)性能，Super304H耐熱鋼已廣泛應(yīng)用于超超臨界機(jī)組鍋爐的過(guò)熱器和再熱器鋼管。長(zhǎng)期服役于高溫、高壓環(huán)境，Super304H耐熱鋼的顯微組織會(huì)發(fā)生明顯的改變。趙林等[8]、王偉等[9]研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期服役的Super304H鋼管奧氏體晶粒存在異常長(zhǎng)大的現(xiàn)象。此外，關(guān)于第二相的析出長(zhǎng)大也已有大量的文獻(xiàn)報(bào)道。王偉等[10]研究了在700 ℃下長(zhǎng)時(shí)間時(shí)效的Super304H鋼，發(fā)現(xiàn)M23C6隨著時(shí)間的延長(zhǎng)聚集長(zhǎng)大，逐漸連續(xù)分布，而MX[主要為Nb(C,N)]相一直呈彌散分布特征。Bai等[11]報(bào)道了650 ℃時(shí)效Super304H奧氏體鋼中富Cu相的平均半徑隨著時(shí)效時(shí)間1/3的增加而線性增加。奧氏體晶粒的異常長(zhǎng)大，必然對(duì)其力學(xué)性能產(chǎn)生明顯影響，關(guān)系到Super304H鋼管的高溫運(yùn)行安全。目前這方面的研究還比較匱乏，尤其是奧氏體晶粒異常長(zhǎng)大對(duì)Super304H鋼管高溫力學(xué)性能影響的研究仍十分有限。

本文針對(duì)不同服役期的Super304H鋼管，開(kāi)展奧氏體晶粒尺寸、第二相特性等顯微組織結(jié)構(gòu)的觀察分析，同時(shí)開(kāi)展服役態(tài)Super304H鋼管不同組織區(qū)域高溫拉伸力學(xué)性能測(cè)試，探討服役態(tài)Super304H鋼管顯微組織演變及其對(duì)鋼管高溫力學(xué)性能影響的規(guī)律，為超超臨界機(jī)組運(yùn)行管理與安全評(píng)估提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)

本研究選用某電廠燃煤超超臨界機(jī)組（尺寸為51 mm×9.5 mm）未服役（供貨態(tài)）及分別在605 ℃左右服役了4×104、5.3×104、6.9×104h的Super304H過(guò)熱器管作為研究對(duì)象。首先沿鋼管軸向取樣，用砂紙打磨至1 500目后拋光，采用配比為(CuSO4)︰(HCl)︰(H2O)=5 g︰20 mL︰20 mL的硫酸銅–鹽酸水溶液對(duì)試樣進(jìn)行腐蝕，在MR-3000光學(xué)顯微鏡（OM）和JSM-6490型掃描電子顯微鏡（SEM）下進(jìn)行顯微組織觀察，用Oxford INCA型X–射線能譜儀（EDS）進(jìn)行微區(qū)成分分析。切取供貨態(tài)及服役4×104h的Super304H鋼管內(nèi)、外壁3種塊狀試樣，使用DDZ-3電鍍整流器施加電流，對(duì)它們分別進(jìn)行電解處理，萃取出試樣中的第二相。選用配比為96 mL濃鹽酸+304 mL去離子水的稀鹽酸為電解液，電流為2 A。試樣電解完成消失后，用濾紙過(guò)濾電解液中的沉積物，再用去離子水沖洗，烘干后，得到Super304H管中第二相粉末樣品。采用D/MAX2500V型X–射線衍射儀分析3種試樣中萃取的第二相粉末的物相組成。X–射線衍射（XRD）測(cè)試參數(shù)：Cu靶，管電壓為40 kV，管電流為200 mA，衍射角2范圍為10°～80°，掃描速率為3 (°)/min。分別將3種試樣中萃取的第二相粉末粘附在導(dǎo)電膠帶上，用SEM觀察第二相顆粒的形貌。

因?yàn)榉蹜B(tài)Super304H鋼管外壁粗晶區(qū)厚度薄，難以制備全部為粗晶區(qū)的拉伸試樣，本研究在去除服役4×104h的Super304H鋼管內(nèi)外壁表面氧化層后，按圖1的要求，以鋼管內(nèi)壁為基準(zhǔn)，切取厚約3 mm的弧形試樣。參照GB/T 4338—2006《金屬材料–高溫試驗(yàn)拉伸方法》，在AG-X PLUS型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)分別測(cè)量供貨態(tài)及服役4×104h的Super304H鋼管全厚試樣及3 mm厚弧形試樣的高溫拉伸性能。高溫力學(xué)性能測(cè)試過(guò)程：先將試驗(yàn)機(jī)附帶電阻爐升溫至650 ℃，將試樣連同夾具放入其中，溫升至650 ℃后，穩(wěn)定20 min，施加載荷，拉伸速率為2 mm/min?；诘葢?yīng)變模型，含粗晶區(qū)及細(xì)晶區(qū)的全厚試樣的高溫拉伸強(qiáng)度為：

=(11+22)/(1)

式中：1、1分別為全厚鋼管試樣中粗晶區(qū)的拉伸強(qiáng)度和厚度；2、2分別為全厚鋼管試樣中細(xì)晶區(qū)的拉伸強(qiáng)度和厚度；為全厚鋼管試樣厚度，=1+2。據(jù)此，通過(guò)測(cè)試全厚鋼管試樣及僅含細(xì)晶區(qū)的厚約3 mm弧形試樣的拉伸強(qiáng)度及2，再采用金相法測(cè)量全厚鋼管試樣截面上粗晶區(qū)及細(xì)晶區(qū)的厚度1及2，就可估算粗晶區(qū)的拉伸強(qiáng)度1，即：

1=(－22)/1(2)

上述測(cè)試至少重復(fù)3次，取平均值。通過(guò)SEM觀察高溫拉伸試樣斷口形貌。

圖1 僅含細(xì)晶區(qū)的弧形高溫拉伸試樣尺寸

2 結(jié)果與討論

2.1 外壁粗晶區(qū)

由圖2a可見(jiàn)，服役4×104h的Super304H鋼管奧氏體晶粒異常長(zhǎng)大由鋼管外壁沿徑向逐漸向內(nèi)發(fā)展，粗晶區(qū)范圍約1.2 mm。最先形成的粗晶呈“孤島狀”分布于細(xì)小的奧氏體晶粒中，隨后吞噬周?chē)募?xì)小晶粒，快速生長(zhǎng)，逐漸在鋼管外壁形成粗晶區(qū)。其中的粗大晶粒晶界曲折，仍處在快速長(zhǎng)大狀態(tài)[12]。同時(shí)，靠近鋼管內(nèi)壁的奧氏體晶?；旧衔窗l(fā)生長(zhǎng)大，具有和供貨態(tài)Super304H鋼管相當(dāng)?shù)木Я６龋?～10級(jí)）[13]。隨著服役時(shí)間的延長(zhǎng)，服役5.3×104h的Super304H鋼管粗晶區(qū)增大至約2.2 mm，平均晶粒尺寸增大，粗晶間細(xì)小的奧氏體晶粒也已消失殆盡，在一些粗晶內(nèi)還可見(jiàn)尚未消失的被“吞并”的小晶粒晶界（見(jiàn)圖2b）。當(dāng)服役時(shí)間延長(zhǎng)至6.9×104h后，Super304H鋼管外壁的粗晶進(jìn)一步發(fā)育長(zhǎng)大，單個(gè)晶粒尺寸可達(dá)500 μm以上，粗晶區(qū)厚度也擴(kuò)大至3.4 mm（見(jiàn)圖2c）。

高溫服役過(guò)程中，Super304H鋼管奧氏體晶粒長(zhǎng)大是原子擴(kuò)散的結(jié)果，溫度越高，原子擴(kuò)散加劇，晶粒長(zhǎng)大速度加快。由于服役Super304H鋼管外壁充斥著高溫?zé)煔?，外壁比?nèi)壁的服役溫度更高[14]，造成外壁少量奧氏體晶粒的快速長(zhǎng)大，呈“孤島狀”分布于細(xì)小的奧氏體晶粒中。一般地，多晶體中晶粒生長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)力()可表示為[15]：

圖2 不同服役時(shí)間的Super304H鋼管外壁顯微組織

Fig.2 Microstructures of the outer walls of the Super304H steel tubes served for various duration

式中：為平均晶界能；*為平均晶粒尺寸；為異常長(zhǎng)大晶粒尺寸。由此可見(jiàn)，在驅(qū)動(dòng)力()的作用下，那些>*的大晶粒將更快長(zhǎng)大，導(dǎo)致晶粒尺寸差距增大，呈“孤島狀”分布于細(xì)小的奧氏體晶粒中。隨后，這些大晶粒繼續(xù)發(fā)生異常長(zhǎng)大，吞噬周?chē)?xì)小顆粒，直至彼此相互碰撞，形成粗晶區(qū)。

2.2 析出相

同樣地，高溫服役過(guò)程中，Super304H鋼管奧氏體晶界及晶內(nèi)的第二相顆粒也將持續(xù)析出長(zhǎng)大，對(duì)原子擴(kuò)散及奧氏體晶界遷移也會(huì)產(chǎn)生顯著影響。總體上，第二相顆粒對(duì)奧氏體晶粒長(zhǎng)大的影響與其半徑成正比，與其體積分?jǐn)?shù)成反比[16]。細(xì)小而彌散分布的第二相顆粒對(duì)奧氏體晶粒長(zhǎng)大將產(chǎn)生更強(qiáng)烈的抑制作用。因此，有必要理清服役態(tài)Super304H鋼管中第二相顆粒的特性。

XRD測(cè)試結(jié)果表明，供貨態(tài)Super304H鋼管中的第二相主要是MX相及富Cu相（見(jiàn)圖3a）。在長(zhǎng)期服役過(guò)程中，Super304H鋼管中的MX相及富銅相仍存在，同時(shí)又新析出了M23C6碳化物相（見(jiàn)圖3b、c）。一般來(lái)說(shuō)，M23C6碳化物優(yōu)先在奧氏體晶界處析出，使得晶界附近Cr元素含量降低，這種局部貧Cr會(huì)導(dǎo)致鋼管晶間腐蝕敏感性顯著提高[17-18]。此外，由于服役Super304H鋼管的外壁溫度比內(nèi)壁高，Super304H鋼管外壁的晶間氧化程度高，會(huì)形成(Fe,Ni)Cr2O4氧化物[19]。

圖3 供貨態(tài)及服役4×104 h Super304H鋼管析出相的XRD圖譜

由圖4a可見(jiàn)，供貨態(tài)Super304H耐熱鋼管含有大的多角形顆粒，尺寸可達(dá)10 μm，其余為極其細(xì)小的球形顆粒。Nb是強(qiáng)碳、氮化物形成元素，在Super304H鋼管高溫軟化及固溶后的冷卻過(guò)程中，都可能形成MX相顆粒，不同的是，軟化過(guò)程形成的MX相顆粒是大塊狀，而在固溶后冷卻過(guò)程中析出的是細(xì)小的MX相顆粒，對(duì)鋼基體具有顯著的強(qiáng)化作用。結(jié)合圖3a的XRD結(jié)果可知，圖4a中大塊狀顆粒為MX相，而細(xì)小的球形顆粒是富Cu相和MX相。大塊狀MX相顆粒與鋼基體的結(jié)合強(qiáng)度低，在承載條件下，易發(fā)生界面脫粘，成為裂紋萌生及擴(kuò)展的通道，降低材料的力學(xué)性能[20]。一般地，在Super304H鋼管高溫服役過(guò)程中，面心立方結(jié)構(gòu)的M23C6優(yōu)先在奧氏體晶界析出，這是因?yàn)镃r元素沿晶界的傳輸速度更快[21-22]。隨著服役時(shí)間延長(zhǎng)，奧氏體晶界上的M23C6不斷聚集長(zhǎng)大，逐漸連成鏈狀，乃至條棒狀。如圖4b、c中箭頭所示，服役Super304H鋼管的粗細(xì)晶區(qū)均存在長(zhǎng)棒狀M23C6顆粒。已有研究表明，在奧氏體晶內(nèi)位錯(cuò)處會(huì)析出方塊狀的M23C6顆粒[22]（如圖4b中箭頭所示）。在Super304H鋼管服役過(guò)程中，MX相通常在奧氏體晶內(nèi)析出，為圓球狀的亞微米顆粒（如圖4b中箭頭所示）。MX相與奧氏體基體間晶格常數(shù)的錯(cuò)配度約為24%[23]，起到良好的彌散強(qiáng)化作用。相比于服役態(tài)Super304H鋼管內(nèi)壁析出相，外壁析出相顆粒在尺寸上明顯增大，特別是在晶界析出的長(zhǎng)棒狀M23C6顆粒，尺寸達(dá)到了0.5 μm×2.3 μm。根據(jù)Ostwald熟化機(jī)制，析出相顆粒會(huì)以大顆粒長(zhǎng)大、小顆粒溶解的方式進(jìn)行粗化。當(dāng)溶質(zhì)元素在基體中的擴(kuò)散是該過(guò)程的速率控制步驟時(shí)，可用Lifshitz-Slyozov-Wagner（LSW）模型描述M23C6顆粒的長(zhǎng)大動(dòng)力學(xué)[24-25]：

圖4 供貨態(tài)及服役4×104 h的Super304H耐熱鋼管中第二相顆粒的SEM形貌

此外，在供貨態(tài)及服役態(tài)Super304H鋼管中都存在富Cu相。研究表明，富Cu相的析出長(zhǎng)大十分緩慢，且始終與基體保持共格關(guān)系，650 ℃下時(shí)效5 000 h的尺寸僅30 nm，具有很高的熱穩(wěn)定性[27-28]?？梢?jiàn)，相對(duì)于供貨態(tài)，服役態(tài)Super304H鋼管中富Cu相的形態(tài)并無(wú)明顯變化，但含量不斷增加，持續(xù)發(fā)揮強(qiáng)沉淀強(qiáng)化效果。

供貨態(tài)Super304H耐熱鋼管的最終熱處理是固溶處理。一般地，在固溶處理過(guò)程中，Super304H鋼管奧氏體晶粒長(zhǎng)大是大角晶界遷移的過(guò)程。奧氏體層錯(cuò)能低，在大角度晶界遷移過(guò)程中，易受第二相等因素的干擾，形成原子錯(cuò)排，從而形成一個(gè)原子層厚度的孿晶[29]。供貨態(tài)Super304H耐熱鋼管奧氏體晶內(nèi)存在高密度孿晶，晶界第二相析出不明顯，而在其晶內(nèi)有一些或大或小，多角形或圓球形的析出相顆粒，EDS測(cè)試表明，其為MX相（圖5a上點(diǎn)1，表1中成分1）。服役態(tài)Super304H耐熱鋼管中的析出相明顯增多，靠近鋼管內(nèi)壁的細(xì)晶區(qū)，奧氏體晶界析出的M23C6顆粒連續(xù)分布（圖5b中點(diǎn)4，表1中成分3），而在奧氏體晶內(nèi)彌散分布著細(xì)小的MX相顆粒（圖5b中點(diǎn)3，表1中成分2）。奧氏體晶粒內(nèi)部少量的大尺寸MX析出相顆粒是Super304H耐熱鋼管軟化處理過(guò)程的殘留物，而非其在服役過(guò)程中的析出物（圖5b中點(diǎn)2，表1中成分2）。在服役態(tài)Super304H耐熱鋼管外壁粗晶區(qū)，晶界析出的M23C6顆粒粗化明顯，奧氏體晶內(nèi)沿孿晶界也存在鏈狀分布的M23C6顆粒（圖5c中點(diǎn)7，表1中成分3）。此外，該粗晶區(qū)奧氏體晶內(nèi)的MX相顆粒聚集長(zhǎng)大，彌散度明顯降低（圖5c中點(diǎn)5、6，表1中成分2）?；趫D5b、c，采用Imag-Pro-Plus軟件，統(tǒng)計(jì)服役4×104h的Super304H耐熱鋼管外壁粗晶區(qū)與內(nèi)壁細(xì)晶區(qū)析出第二相的占比分別為9.7%、8.4%，可見(jiàn)Super304H耐熱鋼管外壁粗晶區(qū)中析出的第二相顆粒的量也明顯增多。

圖5 供貨態(tài)、服役4×104 h的Super304H鋼管內(nèi)外壁SEM形貌

表1 圖5上各點(diǎn)的成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

Tab.1 Elemental compositions of the points in Fig.5 (mass fraction) %

2.3 高溫拉伸性能

供貨態(tài)及服役4×104h后的Super304H耐熱鋼管試樣在650 ℃時(shí)的高溫拉伸力學(xué)性能見(jiàn)表2。相較于供貨態(tài)，服役態(tài)Super304H耐熱鋼管全厚試樣的高溫拉伸屈服強(qiáng)度（p0.2）有所增加。這表明在高溫服役過(guò)程中，Super304H耐熱鋼管奧氏體晶界及晶內(nèi)第二相的析出增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，塑性變形難度增大。同時(shí)，第二相析出長(zhǎng)大降低了服役態(tài)Super304H耐熱鋼試樣塑性變形的協(xié)調(diào)性及彌散強(qiáng)化效應(yīng)，導(dǎo)致其抗拉強(qiáng)度（m）及斷后伸長(zhǎng)率（）降低。相較于服役態(tài)Super304H耐熱鋼管細(xì)晶區(qū)，粗晶區(qū)的m下降了9.5%，p0.2下降了12.8%?？梢?jiàn)，服役態(tài)Super304H耐熱鋼顯微組織老化（包括奧氏體晶粒長(zhǎng)大及第二相的析出長(zhǎng)大）對(duì)其p0.2的影響更大。隨著服役時(shí)間的延長(zhǎng)，Super304H鋼管顯微組織老化加劇，p0.2下降更加明顯，可能存在脹管隱患，甚至爆管，應(yīng)引起足夠重視。

表2 供貨態(tài)及服役態(tài)Super304H鋼管試樣在650 ℃時(shí)的高溫拉伸性能

Tab.2 High-temperature tensile properties of the as-supplied and in-service Super304H steel tube samples at 650 ℃

供貨態(tài)Super304H耐熱鋼管試樣高溫拉伸斷口呈典型的韌窩聚集型斷口特征，韌窩大小均勻，塑性變形程度大，塑性好（見(jiàn)圖6a）。服役Super304H耐熱鋼管奧氏體晶內(nèi)及晶界析出大量第二相顆粒，并逐漸粗化。硬脆第二相顆粒割裂塑性的奧氏體基體，導(dǎo)致服役Super304H耐熱鋼管試樣的高溫拉伸塑性變形的協(xié)調(diào)性降低。即便是服役Super304H耐熱鋼管細(xì)晶區(qū)試樣，其斷面上的韌窩更加細(xì)小而淺，塑性變形能力較供貨態(tài)低得多（見(jiàn)圖6b）。服役Super304H耐熱鋼管粗晶區(qū)斷面最為平整，塑性變形能力最低。這是因?yàn)?，該粗晶區(qū)中奧氏體晶界第二相連續(xù)且寬化，削減了奧氏體晶粒間的相互作用，斷裂裂紋主要沿奧氏體晶界擴(kuò)展，并在沿與主斷裂面垂直的奧氏體晶界上誘發(fā)大量的二次裂紋（如圖6c箭頭所示），導(dǎo)致服役Super304H耐熱鋼管粗晶區(qū)試樣的高溫拉伸力學(xué)性能全面大幅度降低。

圖6 供貨態(tài)及服役4×104 h的Super304H耐熱鋼管試樣的高溫拉伸斷口形貌

3 結(jié)論

1）服役態(tài)Super304H鋼管中呈“孤島狀”分布的粗大奧氏體晶粒吞噬周?chē)募?xì)小晶粒，快速生長(zhǎng)，形成外壁粗晶區(qū)，而靠近鋼管內(nèi)壁的奧氏體晶粒長(zhǎng)大不明顯，為細(xì)晶區(qū)。隨著服役時(shí)間的延長(zhǎng)，粗晶區(qū)厚度增大，奧氏體晶粒長(zhǎng)大。服役6.9×104h的Super304H鋼管外壁粗晶區(qū)厚度約為3.4 mm，奧氏體晶粒尺寸可達(dá)500 μm以上。

2）供貨態(tài)Super304H鋼管中的第二相主要是MX相及富Cu相，而服役態(tài)Super304H鋼管除此之外還生成了大量M23C6第二相。服役態(tài)Super304H鋼管細(xì)晶區(qū)奧氏體晶界析出的M23C6顆粒連續(xù)分布，晶內(nèi)彌散分布著細(xì)小的MX相顆粒，而其外壁粗晶區(qū)第二相數(shù)量增多，奧氏體晶界上的M23C6層寬化，晶內(nèi)M23C6及MX相顆粒聚集長(zhǎng)大，彌散度明顯降低。

3）相較于供貨態(tài)，服役態(tài)Super304H鋼管全厚試樣高溫拉伸時(shí)的p0.2增大，m及降低，但其粗晶區(qū)的強(qiáng)度及塑性都下降，尤其是p0.2及降低明顯。

綜上所述，長(zhǎng)期高溫運(yùn)行的Super304H耐熱鋼管應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)督，消除脹管等安全隱患。

[1] VISWANATHAN R, SARVER J, TANZOSH J M. Boiler Materials for Ultra-Supercritical Coal Power Plants— Steamside Oxidation[J]. Journal of Materials Engineering and Performance, 2006, 15(3): 255-274.

[2] SIM G M. Effect of Nb Precipitate Coarsening on the High Temperature Strength in Nb Containing Ferritic Stainless Steels[J]. Materials Science and Engineering: A, 2005, 396(1/2): 159-165.

[3] 王起江, 洪杰. 超超臨界電站鍋爐用新型管材的研制[J]. 寶鋼技術(shù), 2008(5): 44-48.

WANG Qi-jiang, HONG Jie. Development of New Tubular Products for Ultra Super Critical Boilers[J]. Baosteel Technology, 2008(5): 44-48.

[4] 陳明松, 秦剛?cè)A, 藺永誠(chéng), 等. 超超臨界發(fā)電機(jī)組螺栓用鎳基高溫合金混晶組織均勻細(xì)化工藝[J]. 精密成形工程, 2021, 13(3): 125-130.

CHEN Ming-song, QIN Gang-hua, LIN Yong-cheng, et al. Process for Refinement of Mixed Grain Microstructure of Deformed Ni-Based Superalloy for Bolts of Ultra Supercritical Generator Sets[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2021, 13(3): 125-130.

[5] 劉俊建, 劉潤(rùn), 王萬(wàn)里, 等. 晶粒異常長(zhǎng)大對(duì)服役Super304H管力學(xué)性能的影響[J]. 材料熱處理學(xué)報(bào), 2021, 42(4): 125-131.

LIU Jun-jian, LIU Run, WANG Wan-li, et al. Effect of Abnormal Grain Growth on Mechanical Properties of Serviced Super304H Steel Tube[J]. Transactions of Materials and Heat Treatment, 2021, 42(4): 125-131.

[6] 王苗苗, 朱畢焱. 不同狀態(tài)下S30432鋼析出相的分析[J]. 動(dòng)力工程學(xué)報(bào), 2010, 30(4): 281-283.

WANG Miao-miao, ZHU Bi-yan. Analysis on Precipitates in S30432 Steel Tubes at Different States[J]. Journal of Chinese Society of Power Engineering, 2010, 30(4): 281-283.

[7] 丁浩晨, 趙艷君, 胡治流, 等. 基于3D熱加工圖的SUS304奧氏體不銹鋼熱變形特性研究[J]. 精密成形工程, 2021, 13(3): 97-103.

DING Hao-chen, ZHAO Yan-jun, HU Zhi-liu, et al. Hot Deformation Characterization of SUS304 Stainless Steel Based on 3D Processing Map[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2021, 13(3): 97-103.

[8] 趙林, 董顯平, 孫鋒, 等. Super304H超超臨界鍋爐過(guò)熱器管長(zhǎng)期服役后的顯微組織及力學(xué)性能[J]. 機(jī)械工程材料, 2013, 37(7): 28-32.

ZHAO Lin, DONG Xian-ping, SUN Feng, et al. Microstructure and Mechanical Properties of Super304H Ultra Supercritical Pressure Boiler Superheater Tube after Serving for a Long Time[J]. Materials for Mechanical Engineering, 2013, 37(7): 28-32.

[9] 王偉, 黃翔, 蔡永江, 等. Super304H奧氏體耐熱鋼服役36 891 h后的組織與性能[J]. 材料熱處理學(xué)報(bào), 2015, 36(10): 89-94.

WANG Wei, HUANG Xiang, CAI Yong-jiang, et al. Microstructure and Properties of Super304H Austenitic Heat- Resistant Steel after Service for 36 891 h[J]. Transactions of Materials and Heat Treatment, 2015, 36(10): 89-94.

[10] 王偉, 王志武, 李文勝, 等. 700 ℃長(zhǎng)時(shí)時(shí)效后Super304H鋼的析出相分析[J]. 金屬熱處理, 2017, 42(1): 20-23.

WANG Wei, WANG Zhi-wu, LI Wen-sheng, et al. Analysis on Precipitates in Super304H Steel during Long-Time Aging at 700 ℃[J]. Heat Treatment of Metals, 2017, 42(1): 20-23.

[11] BAI J W. Coherent Precipitation of Copper in Super304H Austenite Steel[J]. Materials Science and Engineering: A, 2013, 584: 57-62.

[12] 胡賡祥, 蔡珣, 戎詠華. 材料科學(xué)基礎(chǔ)[M]. 第3版. 上海: 上海交通大學(xué)出版社, 2010.

HU Geng-xiang, CAI Xun, RONG Yong-hua. Fundamentals of Materials Science[M]. 3rdEdition. Shanghai: Shanghai Jiao Tong University Press, 2010.

[13] 彭芳芳, 朱國(guó)良, 宋建新. 超超臨界機(jī)組用SUPER304H鋼管?chē)?guó)產(chǎn)化關(guān)鍵制造工藝的分析[J]. 動(dòng)力工程, 2008, 28(5): 803-806.

PENG Fang-fang, ZHU Guo-liang, SONG Jian-xin. Analysis of Key Manufacturing Process in Domestic Producing for SUPER304H Steel Tube Applied in Ultra-Supercritical Unit [J]. Journal of Power Engineering, 2008, 28(5): 803-806.

[14] 陳國(guó)宏, 白小龍, 劉俊建, 等. 服役態(tài)及時(shí)效態(tài)Super304H耐熱鋼結(jié)構(gòu)損傷及力學(xué)性能衰減的對(duì)比研究[J]. 電力建設(shè), 2013, 34(9): 105-111.

CHEN Guo-hong, BAI Xiao-long, LIU Jun-jian, et al. Comparative Study on Structural Damage and Mechanical Properties Degradation of Serviced and Aging Super304H Heat-Resistant Steel[J]. Electric Power Construction, 2013, 34(9): 105-111.

[15] KOO J B, YOON D Y, HENRY M F. The Effect of Small Deformation on Abnormal Grain Growth in Bulk Cu[J]. Metallurgical and Materials Transactions A, 2002, 33(12): 3803-3815.

[16] CHARPAGNE M A, FRANCHET J M, BOZZOLO N. Overgrown Grains Appearing during Sub-Solvus Heat Treatment in a Polycrystalline Γ-γ’ Nickel-Based Superalloy[J]. Materials & Design, 2018, 144: 353-360.

[17] 張春雷, 熊夏華, 鄭志軍, 等. Super304H奧氏體不銹鋼晶間腐蝕的研究進(jìn)展[J]. 特殊鋼, 2013, 34(3): 34-38.

ZHANG Chun-lei, XIONG Xia-hua, ZHENG Zhi-jun, et al. Research Progress on Intergranular Corrosion Resistance of Super304H Austenite Stainless Steel[J]. Special Steel, 2013, 34(3): 34-38.

[18] 李新梅, 張忠文, 鄒勇, 等. Super304H鋼和TP304H鋼晶間腐蝕敏感性研究[J]. 熱加工工藝, 2011, 40(6): 5-7.

LI Xin-mei, ZHANG Zhong-wen, ZOU Yong, et al. Study on Susceptibility to Intergranular Corrosion of Super304H and TP304H Stainless Steel[J]. Hot Working Technology, 2011, 40(6): 5-7.

[19] 李萍, 秦鵬, 龐勝嬌, 等. Super304H在模擬煙氣環(huán)境下的腐蝕行為[J]. 材料熱處理學(xué)報(bào), 2015, 36(10): 210-217.

LI Ping, QIN Peng, PANG Sheng-jiao, et al. Study on Corrosion Behavior of Super304H Steel in Simulated Furnace Atmosphere[J]. Transactions of Materials and Heat Treatment, 2015, 36(10): 210-217.

[20] 潘家棟, 王家慶, 陳國(guó)宏, 等. Super304H耐熱鋼的熱穩(wěn)定性[J]. 中國(guó)科技論文, 2012, 7(2): 95-100.

PAN Jia-dong, WANG Jia-qing, CHEN Guo-hong, et al. Thermal Stability of super304H Heat-Resistant Steel[J]. China Sciencepaper, 2012, 7(2): 95-100.

[21] 杜寶帥, 張忠文, 劉奇林, 等. 長(zhǎng)時(shí)服役超超臨界機(jī)組Super304H鋼組織與性能[J]. 熱加工工藝, 2017, 46(24): 147-150.

DU Bao-shuai, ZHANG Zhong-wen, LIU Qi-lin, et al. Microstructure and Properties of Super304H Steel Used in Ultra Supercritical Unit after Long-Term Service[J]. Hot Working Technology, 2017, 46(24): 147-150.

[22] INDRANI S, AMANKWAH E, KUMAR N S, et al. Microstructure and Mechanical Properties of Annealed SUS 304H Austenitic Stainless Steel with Copper[J]. Materials Science and Engineering: A, 2011, 528(13/14): 4491-4499.

[23] 段謨剛. HR3C耐熱鋼管服役狀態(tài)及運(yùn)行可靠性評(píng)價(jià)[D]. 合肥: 合肥工業(yè)大學(xué), 2020.

DUAN Mo-gang. Evaluations on Service States and Running Reliabilities of HR3C Heat Resistant Steel Tubes[D]. Hefei: Hefei University of Technology, 2020.

[24] 歐平. Super304H奧氏體耐熱鋼的時(shí)效析出與強(qiáng)化機(jī)理[D]. 上海: 上海交通大學(xué), 2015.

OU Ping. Aging Precipitation Behavior and Strengthening Mechanism in Super304H Austenitic Heat Resistant Steel[D]. Shanghai: Shanghai Jiao Tong University, 2015.

[25] 劉天佐, 魏玉忠, 馬芹征, 等. Super304H鋼650 ℃時(shí)效過(guò)程中析出相演化的定量分析[J]. 金屬熱處理, 2019, 44(12): 232-237.

LIU Tian-zuo, WEI Yu-zhong, MA Qin-zheng, et al. Quantitative Analysis on Evolution of Precipitates in Super304H Steel during Aging at 650 ℃[J]. Heat Treatment of Metals, 2019, 44(12): 232-237.

[26] 白小龍. 服役態(tài)耐熱鋼管的老化規(guī)律及剩余壽命預(yù)測(cè)[D]. 合肥: 合肥工業(yè)大學(xué), 2014.

BAI Xiao-long. Aging Damages and Remaining Life Predictions of the As-Serviced Heat-Resistant Steels[D]. Hefei: Hefei University of Technology, 2014.

[27] 遲成宇, 董建新, 劉文慶, 等. 3DAP研究Super304H耐熱不銹鋼中富Cu相的析出行為[J]. 金屬學(xué)報(bào), 2010, 46(9): 1141-1146.

CHI Cheng-yu, DONG Jian-xin, LIU Wen-qing, et al. 3DAP Investigation of Precipitation Behavior of Cu-Rich Phase in Super304H Heat Resistant Steel[J]. Acta Metallurgica Sinica, 2010, 46(9): 1141-1146.

[28] MONZEN R, KITA K. Ostwald Ripening of Spherical Fe Particles in Cu-Fe Alloys[J]. Philosophical Magazine Letters, 2002, 82(7): 373-382.

[29] 潘家棟. Super304H、HR3C耐熱鋼管高溫老化規(guī)律的研究[D]. 合肥: 合肥工業(yè)大學(xué), 2013.

PAN Jia-dong. Studies on High-Temperature Aging of the Super304H and HR3C Heat Resistant Steels[D]. Hefei: Hefei University of Technology, 2013.

Microstructural Evolution and High-temperature Mechanical Properties of In-service Super304H Heat-resistant Steel Tube

LIU Run1, LIU Jun-jian2,3, WANG Wan-li2, WU Yue2,3, WANG Yan2, TANG Wen-ming1

(1. School of Materials Science and Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2. Datang Boiler and Pressure Vessel Testing Center Co., Ltd., Hefei 230088, China; 3. Datang East China Electric Power Test and Research Institute, Hefei 230088, China)

The work aims to explore the effects of microstructural evolution of outer-wall coarse grain zone of the in-service Super304H steel tube and the effects on its high-temperature mechanical properties, to provide technical support for operation management and safety assessment of the ultra-supercritical units. The microstructure and the tensile mechanical properties of the in-service Super304H heat resisting steel tube of different service duration were studied to discuss the austenite grain abnormal growth and secondary phase precipitation of the outer wall and its effects on the high-temperature mechanical properties of the steel tube. The results showed that the secondary phases in the in-service Super304H steel tube were mainly composed of the copper-rich phase, MX and M23C6. The austenite grains of the outer wall grew abnormally to form the coarse grain zone, while the grains near the inner wall of the steel tube grew slowly to form the fine grain zone. Compared with the fine grain zone, more secondary phases of a higher size and a lower dispersion degree were precipitated in the austenite grains and along the austenite grain boundaries in the coarse grain zone, leading to a significant decrease in the high-temperature tensile properties. Therefore, a strict metal supervision is required for Super304H heat resisting steel tube in long term operation at high temperature to eliminate the potential safety risk due to abnormal growth of the austenite grains in the outer wall.

ultra-supercritical unit; Super304h steel tube; grain size; secondary phase; microstructural evolution; high-temperature mechanical property

TG142.1

A

1672-9242(2022)12-0120-07

10.7643/ issn.1672-9242.2022.12.017

2021–07–23；

2021–08–25

2021-07-23；

2021-08-25

劉潤(rùn)（1996—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娬灸蜔徜擄@微結(jié)構(gòu)與性能。

LIU Run (1996-), Male, Postgraduate, Research focus: microstructures and properties of heat-resistant steels in power generation plant.

湯文明（1969—），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)椴牧鲜Х治黾跋冗M(jìn)電子封裝材料。

TANG Wen-ming (1969-), Male, Doctor, Professor, Research focus: materials failure analysis and advanced electronic packaging materials.

劉潤(rùn), 劉俊建, 王萬(wàn)里, 等. 服役態(tài)Super304H耐熱鋼管顯微組織演變及高溫力學(xué)性能研究[J]. 裝備環(huán)境工程, 2022, 19(12): 120-126.

LIU Run, LIU Jun-jian, WANG Wan-li, et al. Microstructural Evolution and High-temperature Mechanical Properties of In-service Super304H Heat-resistant Steel Tube[J]. Equipment Environmental Engineering, 2022, 19(12): 120-126.

責(zé)任編輯：劉世忠