一種700 ℃超超臨界電站用新型高溫合金力學(xué)性能及高溫時效組織性能研究

曾凡博1，李 宏1，湯云飛，羅 煦，夏 夢

(1.寶銀特種鋼管有限公司，江蘇宜興 214203;2.江蘇銀環(huán)精密鋼管有限公司，江蘇宜興 214203)

0 引言

隨著環(huán)境保護(hù)的要求日漸提高，需要提高火電廠鍋爐的蒸汽參數(shù)以提高其發(fā)電機(jī)組熱效率，減少CO2,SO2等氣體排放[1-5]。目前，包括我國在內(nèi)多個國家已開始重點(diǎn)研究和發(fā)展700 ℃等級先進(jìn)超超臨界技術(shù)，從而使機(jī)組熱效率有望突破50%[6-7]。該等級機(jī)組嚴(yán)苛的工況條件使得各國相繼研發(fā)、篩選了各自的高溫合金作為候選材料[8-11]。

基于此，在現(xiàn)有高溫鎳基合金基礎(chǔ)上提高鐵、減少鈷、鎳等含量，添加鋁、鈦元素以增加γ′強(qiáng)化相的穩(wěn)定性和析出量，研發(fā)了一種新型Ni-Fe基高溫合金，期望滿足高溫強(qiáng)度要求[12-14]。因電站機(jī)組的工況復(fù)雜、條件嚴(yán)苛，該合金力學(xué)性能及短時時效的組織與性能的考察結(jié)果對后期進(jìn)一步完善研究、工業(yè)制造以及能否最終作為700 ℃超超臨界電站材料至關(guān)重要。

在前期研究的基礎(chǔ)上[12]，對該新型Ni-Fe基高溫合金不同溫度下的拉伸性能，以及700 ℃工況溫度下的短時高溫時效后的組織性能進(jìn)行研究，本文介紹其試驗(yàn)研究結(jié)果。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)合金采用“雙真空”冶煉工藝 (VIM+VAR)，開坯、熱擠壓成型后，得到規(guī)格為?135 mm×16 mm的管坯，取樣并使用SPECTRO MAXx直讀光譜儀及CS-8800高頻紅外碳硫分析儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，主要元素的檢驗(yàn)結(jié)果見表1。管坯經(jīng)熱處理后，通過多道次冷軋變形后得到規(guī)格為?44.5 mm×10 mm的目標(biāo)合金管，最終熱處理為1 100 ℃保溫30 min，水冷。

表1 研究用Ni-Fe基高溫合金主要元素含量 %

研究用試樣均取自于經(jīng)上述處理的合金管，其初始顯微組織如圖1所示，平均晶粒度6.5級，晶界上有少量半連續(xù)狀的M23C6等碳化物，晶內(nèi)也有少量顆粒狀強(qiáng)化相析出。

(a)光學(xué)顯微鏡下的組織

(b)掃描電鏡下的組織

圖1 合金固溶態(tài)顯微組織

對該合金力學(xué)性能及高溫短時時效的組織性能研究的試驗(yàn)方案如下:(1)力學(xué)性能研究，對固溶熱處理后的試樣分別進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)和100,200,300,400,500,600,700 ℃高溫拉伸試驗(yàn)；(2)短時高溫時效組織性能研究，時效溫度為700 ℃，時效時間分別為50,100,500,1 000 h，然后觀察其顯微組織，測量硬度，之后進(jìn)行室溫拉伸、700 ℃高溫拉伸和室溫沖擊試驗(yàn)。

表征及性能測試方法：合金試樣用砂紙逐級打磨后機(jī)械拋光，采用10g CuSO4+ 50 mL H2O+ 50 mL HCl配制的溶劑進(jìn)行化學(xué)侵蝕45 s，使用Axiovert 40MAT倒置式金相顯微鏡觀察其金相組織；使用蔡司EV018 掃描電鏡觀察其微觀形貌和強(qiáng)化相的析出狀態(tài)；使用DHV-1000數(shù)顯顯微維氏硬度計測量試樣的硬度，試驗(yàn)加載力為9.8 N，保載時間15 s；將合金試樣加工成?5 mm的棒狀拉伸試樣后，使用WA-600電子拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)；使用DDL-300高溫拉伸電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn)；將合金試樣加工成10 mm×7.5 mm×55 mm的沖擊試樣后，使用金屬擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫沖擊試驗(yàn)。

2 研究結(jié)果與分析

2.1 合金力學(xué)性能

室溫(25 ℃)拉伸試驗(yàn)和100,200,300,400,500,600,700 ℃高溫拉伸試驗(yàn)后，合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長率、斷面收縮率隨拉伸試驗(yàn)溫度升高的變化曲線如圖2，3所示。

圖2 不同溫度拉伸試驗(yàn)強(qiáng)度變化曲線

可以看出，隨著拉伸試驗(yàn)溫度的升高，合金抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均呈下降趨勢。從下降幅度來看，從室溫拉伸到700 ℃高溫拉伸，抗拉強(qiáng)度降低了約16%，屈服強(qiáng)度降低了約38%，抗拉強(qiáng)度相對穩(wěn)定，屈服強(qiáng)度下降較明顯；但700 ℃拉伸試驗(yàn)時，屈服強(qiáng)度仍有240 MPa，滿足材料初期設(shè)定目標(biāo)值(≥210 MPa)的要求。隨著拉伸試驗(yàn)溫度的升高，斷后伸長率、斷面收縮率等塑性指標(biāo)略有波動，無明顯下降趨勢。

圖3 不同溫度拉伸試驗(yàn)塑性指標(biāo)變化曲線

2.2 短時高溫時效的顯微組織

在700 ℃高溫下經(jīng)過不同時間的短時時效后，掃描電鏡下的顯微組織見圖4?？梢钥闯觯S著時效時間延長，合金晶界線條逐漸模糊，因?yàn)榫Ы缣嶮23C6等碳化物相析出量增加、且平均寬度增大，切割晶粒，導(dǎo)致晶界連續(xù)性降低；同時，晶內(nèi)析出物愈發(fā)明顯，析出相隨時效時間增加有粗化趨勢[15]。對圖4(d)中晶內(nèi)析出物進(jìn)行能譜分析(EDS)，其成分檢測結(jié)果見表2，主要為γ′相。通常，鎳基高溫合金在長時時效后，γ′相易轉(zhuǎn)變?yōu)闂l塊狀Ni3T型η相，η相在晶界附近析出后，易長大成魏氏組織，屬有害相，圖4中未發(fā)現(xiàn)條塊狀η相或魏氏組織。結(jié)合以上分析，時效1 000 h后，該新型合金析出物仍以M23C6和γ′相為主，未發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步轉(zhuǎn)變和其他有害相析出現(xiàn)象，組織相對穩(wěn)定。

(a)50 h

(b)100 h

(c)500 h

(d)1 000 h

圖4 合金在700 ℃時效不同時間后的顯微組織

表2 晶內(nèi)析出相γ′的EDS能譜分析結(jié)果 %

2.3 短時高溫時效的性能

圖5,6分別為該合金700 ℃時效不同時間后的各項(xiàng)強(qiáng)度與硬度結(jié)果。

圖5 強(qiáng)度變化規(guī)律

圖6 硬度變化規(guī)律

從圖5，6可以看出，時效初期，強(qiáng)度和硬度均顯著提高，隨著時效時間增加，性能基本保持穩(wěn)定，超過500 h后有緩慢下降趨勢。這與前述顯微組織變化有關(guān)，因時效初期γ′強(qiáng)化相大量彌散析出，使材料強(qiáng)度和硬度快速上升，達(dá)到一定程度后，析出相趨于穩(wěn)定，超過500 h后，析出相有粗化趨勢，強(qiáng)度和硬度開始緩慢下降。

圖7,8分別為該新型Ni-Fe基合金700 ℃時效不同時間后斷后伸長率和室溫沖擊吸收能量試驗(yàn)結(jié)果。可以看出，時效初期，斷后伸長率和沖擊吸收能量下降幅度較大，后趨于穩(wěn)定。主要原因是該合金鋁、鈦元素含量較高，有利于γ′強(qiáng)化相的析出，但伴隨強(qiáng)度的提高，塑性與韌性均顯著下降。且在700 ℃稍長時間時效時，隨著γ′強(qiáng)化相的粗化和晶界處M23C6等碳化物相析出量增加，有進(jìn)一步緩慢下降的趨勢。以上規(guī)律在其他沉淀強(qiáng)化型合金中也有類似發(fā)現(xiàn)[16-17]。

圖7 伸長率變化規(guī)律

圖8 室溫沖擊吸收能量變化規(guī)律

3 結(jié)論

(1)所研究的新型Ni-Fe基高溫合金,在固溶狀態(tài)下，隨著試驗(yàn)溫度升高，從室溫到700 ℃，強(qiáng)度有一定程度降低；斷后伸長率、斷面收縮率等塑性指標(biāo)無明顯下降。

(2)700 ℃高溫短時時效初期，材料的強(qiáng)度和硬度快速上升，斷后伸長率和沖擊吸收能量等指標(biāo)大幅下降，達(dá)到一定程度后，強(qiáng)度、塑性和韌性指標(biāo)均相對穩(wěn)定；這與高溫時效時晶界處M23C6碳化物、晶內(nèi)γ′強(qiáng)化相析出及粗化有對應(yīng)關(guān)系。