國產(chǎn)和進口P92耐熱鋼顯微組織、拉伸和蠕變性能的對比

耿魯陽，郭曉峰，鞏建鳴，姜 勇，楊華春

（1.南京工業(yè)大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，南京 211816；2.東方鍋爐股份有限公司，自貢 643000）

0 引 言

隨著人類對節(jié)能和環(huán)保問題的日益重視，世界各國紛紛采用超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)來提升火電機組的熱效率［1－3］。我國通過“十五”期間的技術(shù)引進和消化吸收，已經(jīng)基本實現(xiàn)了超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)的國產(chǎn)化。

然而，超超臨界苛刻的蒸汽參數(shù)需要鐵素體耐熱鋼具有良好的力學(xué)性能和抗氧化特性，這就使得研發(fā)新型高鉻鋼成為了發(fā)展超超臨界機組的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。作為含鉻9%～12%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的鐵素體耐熱鋼的代表鋼種，T/P92鋼憑借其優(yōu)異的綜合性能逐漸成為600℃級超超臨界機組的理想用鋼［4－6］。近年來，為了滿足國內(nèi)市場的需求和走自主知識產(chǎn)權(quán)道路，國內(nèi)一些鋼鐵廠先后對T/P92鋼進行了試制。目前，對于小口徑T92鋼管而言，我國已經(jīng)基本掌握了其工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)，并基本實現(xiàn)了國產(chǎn)化。相關(guān)研究表明［7－9］，國產(chǎn) T92鋼在顯微組織、力學(xué)性能以及蠕變持久性能等方面均與國外同類鋼種基本相當(dāng)。最近，國內(nèi)鋼鐵企業(yè)又基本掌握了大口徑P92鋼管的生產(chǎn)技術(shù)，但是有關(guān)國產(chǎn)大口徑P92鋼管性能的研究還鮮有報道。

基于此，作者對某國產(chǎn)大口徑P92耐熱鋼管的顯微組織和高溫性能進行了研究，并結(jié)合相關(guān)資料對比和討論了國內(nèi)外P92鋼的性能，旨在為P92鋼的研究和超超臨界機組的安全運行提供必要的理論依據(jù)，并推動大口徑P92鋼管的國產(chǎn)化進程。

1 試樣制備與試驗方法

試驗鋼為某國產(chǎn)大口徑P92耐熱鋼管（采用正火、回火處理）。沿P92鋼管軸向線切割切下時效試樣。由于P92鋼主蒸汽管道的實際服役溫度為600℃，故對試樣在650 ℃進行200，500，1 000，2 000，3 000，5 000h的時效處理以模擬實際工況。時效在TXCS-Ⅱ型陶瓷纖維馬弗爐中進行，按照GB/T 9452－2003《熱處理爐有效加熱區(qū)測定方法》規(guī)定，有效加熱區(qū)溫度偏差不超過±20℃。

根據(jù)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) DL/T 818－2002《低合金耐熱鋼碳化物相分析技術(shù)導(dǎo)則》的有關(guān)規(guī)定，對650℃下時效不同時間的試樣分別進行析出相電解萃取試驗，對電解萃取后的析出相進行X射線衍射（XRD）分析，確定析出相的類型。電解液為75g氯化鉀和5g檸檬酸溶解于1 000mL滿足Ⅲ級試劑水標(biāo)準(zhǔn)的去離子水中制備的溶液，其pH為3～4，電流密度0.02～0.03A·cm－2，電解時間4～6h，電解液溫度控制在0～5℃。金相試樣采用體積分?jǐn)?shù)10%硝酸酒精溶液進行腐蝕，采用蔡司AXIO Imager A1m型光學(xué)顯微鏡觀察。使用JSM-6360型掃描電鏡（SEM）的背散射電子像對P92鋼時效過程中析出相的種類、尺寸及分布等進行分析。利用JEOL JEM-2010型透射電鏡（TEM）對時效試樣進行馬氏體板條結(jié)構(gòu)、析出相形貌和位置的觀察。

對不同時間時效的各試樣進行室溫和650℃拉伸試驗、室溫和650℃夏比V型缺口沖擊試驗。各試驗分別參照GB/T 228－2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》、GB/T 4338－2006《金屬材料高溫拉伸試驗方法》、GB/T 229－2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進行。試驗結(jié)果取3次試驗平均值。室溫和650℃拉伸試驗均在帶有高溫環(huán)境箱的Instron 5869型電子拉伸材料試驗機上進行。所有拉伸試驗中分兩步控制，先采用應(yīng)變控制，應(yīng)變速率為2×10－4s－1，當(dāng)試樣的應(yīng)變水平達(dá)到0.5%后采用位移控制，拉伸速度為1.5mm·min－1。室溫和650℃夏比V型缺口沖擊試驗在BG-300型高溫沖擊試驗機上進行。

蠕變試驗按照GB/T 2039－1997《金屬拉伸蠕變及持久試驗方法》在CSS-3905型電子式蠕變試驗機上進行，試驗過程中的溫度誤差小于±2℃。試驗溫度為650℃，應(yīng)力水平為110～180MPa。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 化學(xué)成分

由表1可見，進口和國產(chǎn)P92鋼的化學(xué)成分均符合ASTMA335標(biāo)準(zhǔn)對P92鋼以及GB 5310－2008對10Cr9MoW2VNbBN鋼的成分要求，并且雜質(zhì)硫和磷的控制均明顯優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求。

與進口P92鋼相比，國產(chǎn)P92鋼中的鉻、鎢、鈮等合金元素的含量相對較高。鉻元素的添加有助于在晶界形成碳化物顆粒，從而提高P92鋼的力學(xué)性能，同時使其具備良好的高溫抗氧化和耐腐蝕性能。鎢既是強碳化物形成元素，也是固溶強化元素，它可以溶于基體中并強化基體，適當(dāng)增加它的含量，可以阻止晶粒長大，以實現(xiàn)細(xì)化晶粒的目的。鈮是P92鋼中最重要的合金元素，同時也是晶粒細(xì)化的重要手段；鈮也是強碳化物形成元素，在回火過程中會在基體中彌散析出細(xì)小的Nb（CN）碳氮化物，這對材料蠕變強度的提高至關(guān)重要。此外，國產(chǎn)P92鋼中的硅元素含量相對較多，工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常添加硅來作為脫氧劑，雖然加入硅元素可以改善鋼的抗氧化性能和耐高溫腐蝕性，但是它的過度添加會引起蠕變脆裂和表面粗糙度降低。

表1 進口和國產(chǎn)P92鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1Chemical compositions of imported and domestic P92steels（mass） %

2.2 顯微組織

2.2.1 OM形貌

由圖1可見，原始狀態(tài)下（時效前），P92鋼的基體為回火馬氏體，沒有明顯的塊狀鐵素體或δ鐵素體，并且在原奧氏體晶界、馬氏體板條界和馬氏體板條內(nèi)均存在著彌散分布的顆粒；在650℃時效5 000h以后，組織仍保持了典型的馬氏體板條結(jié)構(gòu)，與原始顯微組織相比，馬氏體板條出現(xiàn)了緩慢的回復(fù)現(xiàn)象，并且在晶界上分布的沉淀物尺寸相對較大。

圖1 國產(chǎn)P92鋼在650℃時效5 000h前后的OM形貌Fig.1 OMmorphology of domestic P92steel before（a）and after（b）aging at 650℃for 5 000hours

2.2.2 析出相XRD譜

從圖2可見，原始材料中主要包括M23C6碳化物和MX碳氮化物；而經(jīng)過時效處理后，除M23C6和MX外，還出現(xiàn)了明顯的Laves相。通過對比不同時效時間下的XRD譜（圖略）發(fā)現(xiàn)，除了 MX的衍射峰強度沒有發(fā)生明顯變化外，M23C6和Laves相衍射峰均存在著不同程度的變化，其中M23C6相含量連續(xù)降低，而Laves相含量不斷增大。

圖2 原始材料和時效5000h試樣析出相的XRD譜Fig.2 XRD patterns of initial material（a）and the specimen aged for 5 000h（b）

2.2.3 背散射電子像

由圖3可見，在原始狀態(tài)下（時效前），組織中未發(fā)現(xiàn)有白色明亮相，而其余時效試樣中均有明亮相析出。時效200h后已經(jīng)出現(xiàn)了白色亮點，但此時析出相的尺寸較小且數(shù)量有限。大量的研究也證實［12－14］，P92鋼中的這些時效處理后明亮相為Laves相（Fe，Cr）2（W，Mo），而灰色沉淀相主要是位于原奧氏體晶界和馬氏體板條界面等處的M23C6碳化物。時效1 000h后Laves相的數(shù)量較多、尺寸更大；時效5 000h后Laves相出現(xiàn)了非常明顯的聚集和粗化，且已經(jīng)成為P92鋼中尺寸最大的沉淀相顆粒。此外，隨著時效時間的延長，M23C6碳化物顆粒也同樣隨之長大，但粗化速率明顯慢于Laves相的。

2.2.4 TEM形貌

由圖4可見，在原始狀態(tài)下（時效前），P92鋼中的馬氏體板條寬約為350nm，并且板條內(nèi)具有較高的位錯密度；在650℃時效5 000h后，馬氏體板條結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了明顯的回復(fù)，板條寬度超過了550nm。

圖3 國產(chǎn)T92鋼在650℃時效不同時間后的背散射電子像Fig.3 Back scattered electron micrographs of domestic P92steel after aging for different times at 650 ℃

圖4 國產(chǎn)P92鋼在650℃時效5 000h前后的TEM形貌Fig.4 TEMmorphology of domestic P92steel before（a）and after（b）aging for 5 000hours at 650 ℃

通過TEM觀察，發(fā)現(xiàn)原始狀態(tài)下國產(chǎn)P92鋼的析出相主要由顆粒尺寸較大的M23C6（0.1μm）和彌散分布的MX相組成。從圖5可知，經(jīng)過時效5 000h后，M23C6長大到0.4μm左右；而時效過程中MX相比較穩(wěn)定，尺寸約為20nm，如圖5（b）中A所示的顆粒；EDS分析表明MX相富含釩、鈮等元素；Laves相主要由鐵、鉻、鎢和鉬等合金元素組成。在5 000h的時效過程中，P92鋼顯微組織最顯著的變化就是Laves相的析出、聚集和長大，與M23C6碳化物和MX碳氮化物相比，時效過程中Laves相的粗化速率相對較高。時效5 000h后，Laves相的顆粒尺寸已經(jīng)相當(dāng)大，并且是P92鋼中最大的析出相。

綜上所述，在650℃的時效過程中，國產(chǎn)P92鋼的顯微組織沒有發(fā)生明顯變化；時效5 000h后基體組織保留了馬氏體板條形貌，只是馬氏體板條寬度出現(xiàn)了緩慢的增大。與文獻［15－17］中進口P92鋼在時效過程中馬氏體板條回復(fù)的程度相比，國產(chǎn)P92鋼長期時效后的馬氏體結(jié)構(gòu)并未發(fā)現(xiàn)異常，而且時效過程中M23C6碳化物和MX碳氮化物的粗化速率與進口P92鋼的基本相同。時效5 000h后，國產(chǎn)和進口P92鋼中M23C6相和MX相的尺寸相當(dāng)，但國產(chǎn)P92鋼中Laves相的粗化速率更高?？傮w上來說，在整個時效過程中，國產(chǎn)P92鋼的基體組織是穩(wěn)定的，但影響蠕變性能的Laves相的粗化速率較快。

2.3 力學(xué)性能

2.3.1 室溫和高溫拉伸性能與沖擊韌性

圖5 國產(chǎn)P92鋼在650℃時效5 000h后的TEM形貌和EDS譜Fig.5 TEMmorphology of domestic P92steel after aging for 5 000hat 650 ℃ and EDS spectram：（a）M23C6phase；（b）MX phase；（c）EDS spectrum of MX phase（d）Laves phase and（e）EDS spectrum of Laves phase

由表2可見，進口和國產(chǎn)P92鋼的室溫拉伸性能指標(biāo)與沖擊性能指標(biāo)均滿足ASTMA335和GB 5310－2008的要求；且國產(chǎn)P92鋼在抗拉強度、屈服強度和沖擊韌性等指標(biāo)方面均與進口P92鋼的相當(dāng)；同時，國產(chǎn)P92鋼也具有較高的伸長率和斷面收縮率。

表2 進口和國產(chǎn)P92鋼的室溫力學(xué)性能Tab.2 Mechanical properties of imported and domestic P92steels at room temperature

650℃下高溫短時拉伸試驗結(jié)果表明，國產(chǎn)P92鋼具有較高的伸長率和斷面收縮率，其高溫抗拉強度、高溫屈服強度均與進口P92鋼的相當(dāng)，如表3所示。此外，國產(chǎn)P92鋼在650℃下沖擊吸收功達(dá)到147J，這表明其具有優(yōu)良的高溫沖擊性能。

2.3.2 蠕變性能

通過短時蠕變試驗數(shù)據(jù)外推，得到國產(chǎn)P92鋼在650℃下105h蠕變持久強度為76.3MPa，明顯高于GB 5310－2008以及歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN10216所規(guī)定的持久強度（分別為61MPa和56MPa）。從圖6中可以看出，同溫度、同應(yīng)力條件下國產(chǎn)P92鋼的蠕變斷裂時間明顯短于進口材料的。說明國產(chǎn)P92鋼的蠕變持久性能與進口材料相比，還存在比較大的差距。目前，許多學(xué)者已經(jīng)證實了蠕變孔洞的形成與Laves相析出密切相關(guān)［20－22］，因此國產(chǎn)材料在蠕變和時效過程中Laves相的快速聚集、粗化，是材料蠕變性能較差的重要原因。國產(chǎn)P92鋼中的鎢含量較高，盡管鎢可以溶于基體中并強化基體，但文獻［14］亦指出Laves相的形成、聚集與粗化過程中需要大量消耗基體中的鎢元素。因此如能夠適當(dāng)降低鎢含量，應(yīng)該能夠控制Laves相的聚集與粗化，從而提高國產(chǎn)P92鋼的蠕變持久強度。

表3 進口和國產(chǎn)P92鋼的高溫力學(xué)性能Tab.3 Mechanical properties of imported and domestic P92steels at high temperature

圖6 650℃下日本進口［19］和國產(chǎn)P92鋼應(yīng)力與蠕變斷裂時間的關(guān)系Fig.6 Stress vs creep rupture time for P92steel produced by Japan and China at 650℃

3 結(jié) 論

（1）國產(chǎn)P92鋼的化學(xué)成分符合ASTMA335以及GB 5310－2008對其成分的要求，但其中的鉻、鎢、鈮、硅等元素的含量較國外P92鋼的高。

（2）國產(chǎn)P92鋼在650℃的時效過程中，顯微組織相對比較穩(wěn)定，但Laves相的粗化速率較高。

（3）國產(chǎn)P92鋼和進口P92鋼的室溫、高溫拉伸性能與沖擊性能相當(dāng)。

（4）國產(chǎn)P92鋼在650℃下的蠕變持久強度高于GB 5310－2008以及EN10216規(guī)定值，但是，其在同溫度同應(yīng)力條件下蠕變斷裂時間明顯短于進口P92鋼的，這與其在蠕變過程中Laves相的快速聚集及其粗化有關(guān)。

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