一種含Re葉片鋼的熱處理工藝和組織性能研究

彭建強(qiáng)，閆紅博，孫福民，宗影影，單德彬

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150001;2.哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150046;3.黑龍江科技大學(xué)管理學(xué)院，哈爾濱 150022)

大功率、高參數(shù)、高可靠性、高熱效率和清潔環(huán)保已經(jīng)成為當(dāng)今汽輪機(jī)技術(shù)的發(fā)展方向，超超臨界汽輪機(jī)正是因這一發(fā)展趨勢而產(chǎn)生［1］.機(jī)組的熱效率主要取決于機(jī)組的蒸汽參數(shù)，即壓力(p)和溫度(t).蒸汽參數(shù)越高，機(jī)組的熱效率越高［2］.高溫葉片是汽輪機(jī)的核心部件之一.隨著汽輪機(jī)蒸汽參數(shù)的不斷提高，汽輪機(jī)高溫葉片需要承受的應(yīng)力越來越高.因此，葉片對于其用鋼的高溫性能要求也越來越高.

目前，593℃以上超超臨界汽輪機(jī)高溫葉片普遍采用高溫合金材料制造，比如 Nimonic 80A［3-5］、R26等。然而，高溫合金材料價格昂貴，而且熱膨脹系數(shù)大，要求汽輪機(jī)通流部分的設(shè)計動靜間隙大，影響機(jī)組效率或需要改變結(jié)構(gòu)［6］。為了解決593℃以上超超臨界汽輪機(jī)高溫葉片的用材問題，國內(nèi)外對電站行業(yè)廣泛使用的12%Cr鐵素體鋼進(jìn)行研究，開發(fā)了一系列高溫性能優(yōu)異、熱膨脹系數(shù)小的新型12%Cr鋼，比如TOS203［7］、MTB10A［8-10］、TAF650［11］、KT5331AS0［12-13］等。目前，新型12%Cr鐵素體耐熱鋼已開始替代高溫合金用于蒸汽溫度為593℃的葉片，更高蒸汽溫度使用的12%Cr鐵素體葉片鋼正在開發(fā)、試驗中，并在不斷改進(jìn)［14］。現(xiàn)有的研究成果表明電站用鐵素體鋼的性能極限在630℃。

11Cr10Co2W2MoReVNbNB是一種具有非常高的高溫強(qiáng)度的新型12%Cr鋼，其使用溫度可達(dá)630℃.該鋼幾乎涵蓋了所有合金化元素.特別地，其含有很少在鋼中添加的難熔元素Re.由于國內(nèi)首次使用該鋼種，關(guān)于其制造和各項性能的報道很少，因此，有必要對鋼熱處理工藝和組織性能進(jìn)行研究，掌握鋼的最佳熱處理工藝和組織性能，為鋼的制造和應(yīng)用奠定基礎(chǔ).

本文對此鋼進(jìn)行了熱處理工藝試驗，對其力學(xué)性能、組織性能進(jìn)行分析.

1 實驗

1.1 實驗材料和設(shè)備

試驗選用的材料為國內(nèi)某鋼廠提供的方鋼，截面尺寸為100 mm×100 mm.試驗用鋼采用電爐+電渣重熔工藝冶煉，而后鍛制成規(guī)格為100 mm×100 mm方鋼，并進(jìn)行了高溫回火處理.試驗用料的化學(xué)成分見表1.硬度采用HVS-1000型維氏硬度計測定，相變點采用Gleeble3800型熱/力模擬試驗機(jī)測定，拉伸力學(xué)性能采用INSTRON-5582型電子拉力試驗機(jī)測定，金相組織采用Olympus-PMG3型光學(xué)顯微鏡觀察，斷口采用SUPRA55型掃描電鏡，透射組織采用FEI Tecnai G2 F30型透射電鏡觀察，熱處理采用箱式電阻爐.

表1 鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

1.2 熱處理工藝

相變點是制定鋼熱處理工藝的依據(jù).因此，首先采用Gleeble3800型熱/力模擬試驗機(jī)測定了11Cr10Co2W2MoReVNbNB鋼的相變點，見表2.

鋼的奧氏體化溫度為932℃，因此均勻選擇3個溫度1 000、1 100、1 140℃進(jìn)行淬火硬度測試.測試結(jié)果表明，鋼在1 100～1 140℃淬火硬度最高，所以淬火溫度選為1 100、1 120、1 140℃.

回火溫度的選擇由合金本身的性質(zhì)和使用條件共同決定，由于11Cr10Co2W2MoReVNbNB鋼屬于高溫用鋼，必須要有很好的高溫組織穩(wěn)定性，所以回火溫度相對普通鋼要高.此外，該鋼的使用溫度達(dá)630℃，回火溫度要比使用溫度至少高30℃，即采用高溫回火方式，同時參考類似鋼種的回火溫度，確定材料回火溫度選擇為660、680和700℃.

表2 11Cr10Co2W2MoReVNbNB鋼的相變點

2 結(jié)果及討論

2.1 不同熱處理工藝對性能的影響

將試驗用料隨爐放入熱處理爐中加熱，加熱到規(guī)定溫度充分保溫后空冷.然后測試試樣的拉伸性能、硬度(HB)和沖擊性能.不同淬火溫度和不同回火溫度對材料強(qiáng)度、硬度和塑韌性的影響分別如圖1和圖2所示.圖中，Rm指抗拉強(qiáng)度，Rp0.2指屈服強(qiáng)度，A指延伸率，ARV為沖擊功。

從圖1可以看出，在1 100～1 140℃淬火溫度內(nèi):1)材料具有良好的強(qiáng)度和塑韌性;2)淬火溫度對材料的強(qiáng)度和硬度沒有影響;3)除1 120℃淬火，塑韌性略有提高外，淬火溫度對材料的塑韌性基本沒有影響.

圖1 不同淬火溫度對鋼性能的影響

從圖2可以看出，在660～700℃回火溫度內(nèi):1)材料具有良好的強(qiáng)度和塑韌性;2)除強(qiáng)度和硬度隨回火溫度提高而略有下降外，回火溫度對材料的強(qiáng)度和硬度基本沒有影響;3)除680和700℃回火時韌塑性較高外，回火溫度對材料的塑韌性基本沒有影響.

從淬火溫度和回火溫度對材料性能的影響可以看出，鋼在1 100～1 140℃內(nèi)淬火，在660～700℃內(nèi)回火時，除了在1 120℃淬火、680和700℃回火時性能略好外，鋼都具有良好的綜合性能，淬火溫度和回火溫度對材料性能基本沒有影響.因此，鋼的最佳熱處理工藝為(1120±10)℃油冷+(690±10)℃空冷.

圖2 不同回火溫度對鋼性能的影響

2.2 金相組織分析

由熱處理工藝的試驗結(jié)果可以看出，鋼在1 120℃淬火、680和700℃回火時性能最好.因此，對1 120℃淬火、680和700℃回火后的11Cr10Co2W2MoReVNbNB鋼進(jìn)行金相組織觀察，如圖3所示.

從圖3可以看出，鋼的組織均勻，為回火索氏體，晶粒基本呈等軸狀，晶界清晰可見.680℃回火后，鋼的平均晶粒尺寸為63 μm左右，存在少量粗大晶粒，尺寸分別為130和300 μm兩個級別，總體評價晶粒度為4.5～5級;700℃回火后，鋼的平均晶粒尺寸為68 μm左右，存在少量粗大晶粒，粗大晶粒尺寸為110～170 μm，總體評價晶粒度為4.5～5級.

圖3 鋼熱處理后的金相組織

2.3 斷口分析

從熱處理工藝試驗結(jié)果可以看出，在1 100～1 140℃淬火、660～700℃回火，鋼均具有非常好的塑韌性，V型缺口沖擊功均在40 J以上，這在高溫葉片用12%Cr中是很罕見的.為了進(jìn)一步驗證鋼所具有的高塑韌性，采用德國蔡司SUPRA55掃描電鏡對拉伸斷口進(jìn)行了觀察，如圖4所示.從圖中可以看出，斷口存在大量韌窩，是典型的韌性斷口.

圖4 拉伸試樣斷口形貌

2.4 鋼的強(qiáng)化機(jī)理分析

11Cr10Co2W2MoReVNbNB鋼的主要強(qiáng)化手段是第二相強(qiáng)化，在FEI Tecnai G2 F30型透射電鏡下觀察，可觀察到材料經(jīng)熱處理后，基體中有大量細(xì)小、彌散分布的析出相顆粒，且多在晶界處析出，晶粒內(nèi)部密度明顯低于晶界，顆粒尺寸約為100 nm，存在少量粗大顆粒尺寸為0.1～0.5 μm，如圖5所示.

對第二相進(jìn)行元素分析發(fā)現(xiàn)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在5%左右，主要元素是Fe、Cr.

圖5 顆粒狀M23C6型碳化物及其能譜分析結(jié)果和衍射斑點

經(jīng)過成分分析和其他同類材料的對比分析，可以確定該材料的第二相析出物為M23C6，也可利用經(jīng)驗公式(1)［15］計算得出.

式中，x為元素的原子數(shù)分?jǐn)?shù)，析出 M23C6計算結(jié)果:

也可確定第二相析出物為M23C6.其中M主要是Fe和 Cr兩種元素，同時也可寫成(Fe，Cr)23C6.M23C6型碳化物是含Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于6%的高溫合金中常見的化合物，其主要金屬元素是Cr，在高溫鋼中大部分的Fe元素代替了Cr形成Fe23C6型化合物，同時還存在Cr23C6型化合物.由衍射圖譜及相關(guān)資料確定M23C6型碳化物晶體是復(fù)雜的面心立方結(jié)構(gòu)，每個單胞有116個原子，其中92個金屬原子和24個碳原子，成分不同的M23C6的點陣常數(shù)通常為1.05～1.07 nm.

第二相顆粒析出的位置對材料的性能有很大影響，顆粒狀M23C6型碳化物主要是以兩種排布方式析出，其一是在板條邊界、晶界有規(guī)律的排列析出，第二種是在晶粒內(nèi)部均勻分布.如圖5(a)所示，在板條邊界和晶界析出顆粒狀M23C6型碳化物可以阻礙晶界和相界的運(yùn)動，對提高持久強(qiáng)度十分有利.在晶粒內(nèi)部的顆粒狀M23C6可以阻礙晶粒變形，減小穿晶斷裂的可能，如圖5(b)所示.總體來說，彌散的第二相顆粒對提高材料的強(qiáng)度、硬度起著非常重要的作用，同時由于顆粒狀M23C6有很好的高溫穩(wěn)定性，所以對材料的高溫性能有利［16-17］.

含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%左右的 Re是11Cr10Co2W2MoReVNbNB鋼的特點之一.因此，研究了Re元素在鋼中的存在形式.如上所述，鋼的組織由馬氏體基體和第二相(M23C6碳化物)組成，分別對馬氏體基體和碳化物進(jìn)行能譜分析，發(fā)現(xiàn)碳化物中的M主要為Cr、Fe，含有極少量Re，馬氏體中含有大量W和Re，說明Re主要存在于鋼的基體中，起固溶強(qiáng)化作用.Re強(qiáng)化固溶體的特點是進(jìn)入基體的Re原子易于形成約1 nm的短程有序的Re原子團(tuán)［18-19］，位錯運(yùn)動通過原子團(tuán)時，要破壞Re原子有序區(qū)，增加位錯運(yùn)動的阻力，從而提高含Re鋼的強(qiáng)度.

3 結(jié)論

1)11Cr10Co2W2MoReVNbNB鋼在1 100～1 140℃內(nèi)淬火，在660～700℃內(nèi)回火時，除了在1 120℃淬火、680和700℃回火時性能略好外，鋼都具有良好的綜合性能，淬火溫度和回火溫度對材料性能基本沒有影響.鋼的最佳熱處理工藝為(1 120±10)℃油冷+(690±10)℃空冷.

2)與其他高溫用 12%Cr鋼相比，11Cr10Co2W2MoReVNbNB鋼具有良好的韌性，室溫V型沖擊功高達(dá)40 J以上，斷口存在大量韌窩，為典型的韌性斷口.

3)對鋼在1 120℃淬火、680和700℃回火后的組織進(jìn)行了觀察，鋼的組織為回火索氏體，組織均勻、晶粒細(xì)小;基體上彌散分布著第二相顆粒M23C6，尺寸約100 nm，存在少量粗大顆粒尺寸為0.1～0.5 μm，是鋼中的主要強(qiáng)化相.Re主要存在于基體中，起固溶強(qiáng)化作用.

［1］JáNOS M B.High efficiency electric power generation:the environmental role［J］.Progress in Energy and Combustion Science，2007，33:107-134.

［2］HU Z M，DEAN T A.Aspects of forging of titanium alloys and production of blade forms［J］.Journal of Materials Processing Technology，2001，111:10-19.

［3］XU Yu-lai，YANG Cai-xiong，XIAO Xue-shan，et al.Strengthening behavior of Al and Ti elements at room temperature and high temperature in modified Nimonic 80A［J］.Materials Chemistry and Physics，2012，134:706-715.

［4］XU Yu-lai，YANG Cai-xiong，XIAO Xue-shan，et al.Evolution of microstructure and mechanical properties of Ti modified superalloy Nimonic 80A［J］.Materials Science and Engineering A，2011，530:315-326.

［5］XU Yu-lai，YANG Cai-xiong，RAN Qing-xuan，et al.Microstructure evolution and stress-rupture properties of nimonic 80A after various heat treatments［J］.Materials and Design，2013，47:218-226.

［6］趙旺初.國外超臨界機(jī)組用鋼［J］.東方電氣評論，2005，19(2):98-100.ZHAO Wang-chu.Steels for the foreign super critical units［J］.Dongfang Electric Review，2005，19(2):98-100.

［7］FUKUDA M，TSUDA Y，YAMASHITA K，et al.Mateirals and design for advanced high temperature steam turbines［C］//Proceedings from the Fourth International Conference on Advanced in Materials Technology for Fossil Power Plants.［s.l.］:ASM，2004:491-505.

［8］李偉平，孫峰，張瀾庭.基于正交試驗的鐵素體耐熱鋼研究［J］.熱加工工藝，2012，41(12):65-71.LI Wei-ping，SUN Feng，ZHANG Lan-ting.Study of ferritic heat-resistant steel based on normalizing testing［J］.Hot Working Technology，2012，41(12):65-71.

［9］梁娟.一種超超臨界汽輪機(jī)用鋼的組織與性能研究［D］.上海:上海交通大學(xué)，2006.LIANG Juan.Structure and properties study for a steel for ultra-super critical steam turbine［D］.Shanghai:Shanghai Jiaotong University，2006.

［10］梁娟.600～650℃超超臨界汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子材料的高溫力學(xué)性能分析［J］.上海電機(jī)學(xué)院學(xué)報，2012，15(2):133-140.LIANG Juan.High temperature mechanical property analysis for the material used for the ultra-super critical steam turbine rotor working at 600～650 ℃［J］.Jounal of Shanghai Dianji University，2012，15(2):133-140.

［11］林富生，王治政，王寶忠，等.中國電站用耐熱鋼及合金的研制、應(yīng)用與發(fā)展［J］.動力工程學(xué)報，2010，30(4):236-244.LIN Fu-sheng， WANGZhi-zheng， WANGBaozhong，et al.The development，application and progressing of the heat-resistant steels and alloys for the power plants in China［J］.Journal of Chinese Society of Power Engineering，2010，30(4):236-244.

［12］朱小陽.1Cr11Co3W3NiMoVNbNB鋼的試制［J］.特鋼技術(shù)，2010，16(3):18-23.ZHU Xiao-yang. Trial producation of the 1Cr11Co3W3NiMoVNbNB steel［J］.Special Steel Technology，2010，16(3):18-23.

［13］丁建生，劉藺勛.熱處理對超超臨界材料KT5331AS0組織和性能的影響［J］.熱加工工藝，2010，39(8):166-167.DING Jian-sheng，LIU Lin-xun.The influence of heat treatment on the stucture and properties of KT5331AS0 for the ultra-super critical steam turbine［J］.Hot Working Technology，2010，39(8):166-167.

［14］楊鋼，王立民，程世長，等.蒸汽輪機(jī)用葉片鋼的研究進(jìn)展［J］.特鋼技術(shù)，2009，15(3):1-8.YANG Gang，WANG Li-min，CHENG Shi-chang，et al.The study progress for the blade steels for the steam turbine［J］.Special Steel Technology，2009，15(3):1-8.

［15］鄭運(yùn)榮，張德堂.高溫合金與鋼的彩色金相研究［M］.國防工業(yè)出版社，1999:170 ZHENG Yun-rong，ZHANG De-tang.Colored Metallurgraphic Study for the Superalloy and Steel［M］.National Defence Industry Press，1999:170

［16］劉新權(quán)，楊鋼，吳興惠，等.620℃長期時效對新型鐵素體耐熱鋼1Cr11Co3W3MoVNbNB組織和力學(xué)性能的影響［J］.特殊鋼，2010，31(5):67-70.LIU Xin-quan，YANG Gang，WU Xing-hui，et al.The influence of long time ageing at 620℃on the structure and mechanical properties of new ferritic heat-resistant steel of 1Cr11Co3W3MoVNbNB［J］.Special Steel Technology，2010，31(5):67-70.

［17］江雷，陳巳漪.1Cr11Co3W3NiMoVNbNB短時持久差異分析研究［J］.東方汽輪機(jī)，2012(4):33-40.JIANG Lei，CHEN Si-yi.Difference analysis study of short time stress rupture tests for 1Cr11Co3W3NiMoVNbNB［J］.Dongfang Turbine，2012(4):33-40.

［18］GIAMEI A F，AUTOU D L.Re addition to a Nibase Superalloy:Effect on Microstructure［J］.Metall Trans A，1985，16A:1997.

［19］BLAVETTE D，CARON P，KHAN T.An atomprobe study of some fine scale microstructure feature in Ni-base SC superalloy［C］//Proc 6th Int Symp on Superalloys.［s.l.］:TMS，1988:305.