9Cr-2W耐熱鋼的微觀組織及析出相的研究

高加強, 洪 杰, 肖新星, 劉俊亮, 王起江

(寶鋼股份研究院,上海 201900)

節(jié)約能源和保護環(huán)境是目前世界各國普遍關(guān)注的問題,在火力發(fā)電站的設(shè)計過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,進而對耐熱鋼提出了更高要求.鐵素體耐熱鋼相對于奧氏體耐熱鋼具有較高的熱導率和較小的熱膨脹系數(shù),且耐熱疲勞、工藝性能良好、性價比高,因而倍受人們青睞.

從傳統(tǒng)的Cr-M o鋼發(fā)展而來的9Cr-2W耐熱鋼是目前國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,可利用固溶強化、位錯強化和析出相彌散強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)對服役性能起著決定性的影響.該鋼種的持久蠕變性能是國際上的研究熱點之一[5-8],但國內(nèi)對其的研究還很少.9Cr-2W耐熱鋼的析出相尺寸較小且彌散分布,對析出相進行深入研究非常重要.筆者利用光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡等儀器對國產(chǎn)9Cr-2W耐熱鋼的顯微組織進行了分析,重點考察了正火、回火和高溫持久等狀態(tài)下的組織演變,研究9Cr-2W耐熱鋼的高溫強化機理,為壽命評估和失效分析提供依據(jù).

1 試驗方法

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標準中 T92鋼的成分.按照GB/T 2039—1997標準制備持久試樣,在650℃、110 MPa下進行持久試驗,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9Cr-2W耐熱鋼萃取復型樣和電解雙噴制備的金屬薄膜樣的析出相進行形貌、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)果可見馬氏體板條內(nèi)部有細小點狀析出相.

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9Cr-2W耐熱鋼正火態(tài)萃取復型樣進行分析,其TEM分析結(jié)果見圖2.可見針狀析出相為含有少量Cr元素的滲碳體,一般長約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)隨機分布,這是由于高溫時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,可見析出相大多沿晶界分析,且相對晶粒內(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)萃取復型樣的TEM分析結(jié)果示于圖4.從圖4(a)可見,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,析出相在晶內(nèi)分布較少且較為細小.對圖4(a)中的A處及圖4(b)中的B處和C處進行選區(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,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9Cr-2W耐熱鋼回火態(tài)金屬薄膜樣品中的析出相進行能譜分析,結(jié)果顯示晶界上粒徑較大的析出相含有Cr和Fe元素,對應于M23C6型析出相(圖5中的A處);而晶內(nèi)細小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,相對于正火態(tài)試樣,回火處理使得原來的滲碳體溶解,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應力下進行持久試驗,經(jīng)2 521 h后試樣斷裂.持久斷裂試樣表面氧化嚴重,斷口在標距內(nèi),斷面與軸線垂直、凹凸不平且邊緣多毛刺,試樣頭部夾持處、標距內(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、多孔洞且析出相較大,說明變形會影響元素的遷移,導致析出相長大.

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)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)果見圖7.由圖7可見,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.相對于回火態(tài)試樣,其馬氏體板條略有拉長,位錯密度略有降低.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,實現(xiàn)強化作用.從明場像中可見,細小MX型析出相附近有位錯塞積,說明細小析出相可以阻礙位錯移動,也可起到強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持久斷裂試樣金屬薄膜的析出相進行微區(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的細小析出相為富含V和Nb等元素的MX型析出相.

對單獨一個粗大析出相進行線掃描成分分析,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的析出相復合而成的.這說明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,它是由幾個不同類型的析出相在時效或蠕變過程中組合形成的[9-10].由此可見,9Cr-2W耐熱鋼在持久過程中發(fā)生了合金元素的再分配,導致析出相長大并產(chǎn)生了新的析出相.粗大的析出相不再起強化作用,反而會引起微裂紋的產(chǎn)生和擴展,并最終導致耐熱鋼蠕變斷裂[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.

(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.

[1] MASUYAMA F.History of power plants and progress in heat resistant steels[J].ISIJ International,2001,41(6):612-625.

[2] TANEIKE M,ABE F,SAWADA K.Creepstrengthening of steel at high temperature using nanosized carbonitride dispersions[J].Nature,2003,424:294-296.

[3] MARUYAMA K,SAWADA K,KOIKE J.Strengthening mechanisms of creep resistant tempered martensitic steel[J].ISIJ International,2001,41(6):641-653.

[4] ENNIS P J,CZYRASKA-FILEMONOWICZ A.Recent advances in creep-resistant steels for power plant applications[J].Sadhana,2003,28(3/4):709-730.

[5] SAWADA K,K UBO K,ABE F.Creep behavior and stability o f MX precipitates at high temperature in 9C r-0.5Mo-1.8W-VNb steel[J].Materials Science and Engineering A,2001,319/320/321:784-787.

[6] HATESTRAND M,SCHWIND M,ANDREN H O.Microanalysis of two creep resistant 9-12%ch romium steels[J].Materials Science and Engineering A,1998,250(1):27-36.

[7] HASEGAW A T,ABE Y R,TOM ITA Y,eta l.Microstruc tural evolution during creep test in 9C r-2WV-Ta steels and 9Cr-1Mo-V-Nb steels[J].ISIJ International,2001,41(8):922-929.

[8] ENNIS P J,ZIELINSKA-LIPIEC A,WACHTER O,eta l.Microstructural stability and creep rupture strength of the martensitic steel P92 for advanced pow er plant[J].Acta Materialia,1997,45(12):4901-4907.

[9] DIMM LERA G,WEINERTA P,KOZESCHN IK E,etal.Quantification of the Laves phase in advanced 9-12%C r steels using a standard SEM[J].Materials Characterization,2003,51(5):341-352.

[10] ABE F.Creep rates and strengthening mechanisms in tungsten-strengthened 9Cr steels[J].Materials Science and Engineering A,2001,319/320/321:770-773.

[11] LEE J S,ARMAK IH G,MARUYAM A K,et a l.Causes of breakdown of creep strength in 9Cr-1.8W-0.5M o-VNb steel[J].Materia ls Science and Engineering A,2006,428(1/2):270-275.