不同時效溫度TG700A高溫合金相析出行為

鐘雨伽

摘? 要：在熱電站中，鍋爐的工作溫度和壓力越高，其能源利用率越高，但同時也對制造鍋爐的材料提出了很高的要求。超超臨界鍋爐，其工作溫度和壓力遠(yuǎn)超過水的臨界點，具有很高的能源利用率。而Inconel 740H合金作為超超臨界鍋爐工作溫度最高的部分，再熱器的首選材料，其高溫性能頗受關(guān)注。本文選取的是時效溫度為650℃和770℃，在650℃下時效了2000h和3680h，在770℃下時效了2800h和4500h。同時準(zhǔn)備了一個未時效的試樣作為對比。未時效的試樣中幾乎沒有γ析出相，晶界處有少量析出，同時有鑄造缺陷的相。650℃下隨時效時間延長硬度增加，表明650℃下時效2000h沒有過時效，不過也有可能是誤差的原因（選擇的試驗力?。?。但770℃下隨時效時間延長硬度增加，與其他文獻上的描述不相符，可能是誤差的原因。

關(guān)鍵詞：超超臨界鍋爐;Inconel 740H;時效;微觀組織

正常情況下，亞臨界鍋爐每度電的二氧化碳排放量超過880g，超臨界鍋爐的在800～880g之間，超超臨界鍋爐的則在740～800g之間。但是，越先進的鍋爐運行的數(shù)目就越少，畢竟建設(shè)先進的鍋爐，需要先進的技術(shù)和大量的資金。此外還設(shè)計出了運行溫度更高，熱效率更高，溫室氣體排放量更少的超超臨界鍋爐，但由于某些技術(shù)問題還未投入使用。

1 超超臨界鍋爐簡介

超超臨界鍋爐可分為三部分，燃燒系統(tǒng)、風(fēng)煙系統(tǒng)、汽水系統(tǒng)。⁷燃燒系統(tǒng)負(fù)責(zé)處理燃料，燃燒煤粉，獲取熱能，產(chǎn)生廢氣和廢渣。風(fēng)煙系統(tǒng)負(fù)責(zé)空氣流通，將水冷壁產(chǎn)生的低溫空氣經(jīng)預(yù)熱設(shè)備進行預(yù)熱，使用熱空氣烘干煤粉，并提供助燃劑，產(chǎn)生的煙氣將熱能送給水和空氣，最后經(jīng)處理后排放入大氣中。汽水系統(tǒng)，就是用水產(chǎn)生水蒸氣，推動汽輪機發(fā)電。水是逐步加熱的，經(jīng)低壓加熱器加入，然后加壓再加熱，最后經(jīng)過熱器、再熱器形成高溫高壓蒸汽。

由此可見，過熱器、再熱器作為最接近汽輪機的部分，其承受的壓力和溫度都是最高，所以其材料要求最苛刻。下一代超超臨界鍋爐的設(shè)計溫度已經(jīng)超過700℃。但是溫度高不是材料設(shè)計唯一的難點?，F(xiàn)代超臨界及超超臨界鍋爐有一個特點，變壓運行。由于用電需求會變化，鍋爐不會一直滿負(fù)荷運行;而隨著鍋爐負(fù)荷的變化，鍋爐變壓運行，對工質(zhì)水產(chǎn)生影響的同時，也會對鍋爐用材產(chǎn)生影響。在鍋爐頻繁啟停及變負(fù)荷運行過程中，鍋爐的厚壁受壓部件會瞬時承受較大的溫度應(yīng)力，需要對它們進行瞬時應(yīng)力分析、蠕變-疲勞分析和壽命評估。⁸

2 700℃超超臨界鍋爐中的高溫材料

已經(jīng)進行可行性研究和產(chǎn)品設(shè)計的先進的超超臨界鍋爐的蒸汽溫度可達700℃，但是高溫材料問題正是開發(fā)的瓶頸，同時阻礙了世界各國超超臨界計劃的發(fā)展。對于700℃超超臨界鍋爐的設(shè)計，不同的設(shè)計機構(gòu)有不同的設(shè)計特點，在爐型、燃燒方式選擇、水冷壁形式、受熱面布置等方面存在一些差異，但無論采用何種設(shè)計形式，其關(guān)鍵部件的服役溫度差別很小，可以認(rèn)為設(shè)計方案的不同不會對材料的性能要求產(chǎn)生大的變化。

先進700℃的超超臨界鍋爐設(shè)計上，其過熱器和再熱器的服役溫度可能超過700℃，而700～770℃這個溫度區(qū)間的選用材料是以前鍋爐所沒用運用過的材料，鎳基高溫合金將是這個溫度區(qū)間的主要候選材料。對于先進700℃超超臨界鍋爐將應(yīng)用的材料與以往鍋爐所選用的材料的對比。

為保證電站穩(wěn)定運行30～40年，通常700℃等級的超超臨界機組中高溫部件的材料選擇要參照兩個基本標(biāo)準(zhǔn)，一是材料100000小時的持久強度不低于100MPa，二是200000小時的氧化腐蝕層厚度要小于2mm，主要是要求材料的高溫力學(xué)性能和抗腐蝕能力。其次，材料還應(yīng)該有良好的焊接技能和良好的加工成型性。

3 實驗材料及實驗方法

3.1實驗材料

實驗樣品為Inconel 740H試樣五個，一個為原始試樣（未時效），其余四個試樣進行了時效，分別在650℃下時效2000h、3680h，770℃下時效2800h、4500h。試樣在時效之前，從鑄造開始，經(jīng)歷了均質(zhì)化、徑鍛、擠壓、冷軋、熱處理等工序。

3.2實驗方法

（1）使用軟件JMatPro計算Inconel 740H的平衡相圖。首先測量樣品的成分。然后使用JMatPro軟件計算Inconel 740H合金的平衡相圖，并明確650℃和770℃下的平衡相。

（2）微觀組織觀察。使用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡，對三個試樣進行觀察。首先將樣品制備成金相樣品。腐蝕液選擇為HCl：HNO3：H2O=10：1：10的溶液。先將腐蝕液配好，然后水浴加熱至55℃左右，保溫20min，然后用棉球蘸取腐蝕液擦拭試樣至腐蝕完畢。使用SEM觀察組織時，通過EDS來測量不同相的成分，區(qū)分各種組織。

（3）XRD實驗。將固體試樣表面進行處理，保證合格的粗糙度。XRD實驗參數(shù)選擇，2θ角測量范圍為20～100°。

（4）力學(xué)性能測試。限于樣品大小，選擇顯微硬度測試。實驗加載力為1kg，加載時間為15s。

3.3 實驗結(jié)果及分析

（1）時效的試樣與平衡相圖之間的差別。這些差別主要來源于鑄造缺陷和雜質(zhì)元素。鑄造缺陷的影響深遠(yuǎn)，不僅是那些沒有溶入基體的顆粒組織，還有成分上的不均勻。兩個因素合起來產(chǎn)生了各種球狀相，在770℃下這些相形狀更不規(guī)則一些。其中的富含的Ti元素和N元素很容易結(jié)合，經(jīng)時效有許多碳化物相在上面生成，這會使周圍Cr元素含量減少，抗腐蝕性能降低。

（2）650℃下時效的試樣與770℃下時效試樣的組織差異。770℃的試樣中各種析出相都較多，其中γ析出相質(zhì)量分?jǐn)?shù)大，且尺寸也較大。晶界處的析出相，770℃的形狀更不規(guī)則一些，650℃的較纖細(xì)。至于球狀的相，650℃的有一些呈分層結(jié)構(gòu)，里面較暗，四周較亮，而770℃的則亮度均勻。

（3）晶界上的析出相，650℃下部分晶界析出相呈顆粒狀，比其他部分晶界寬一些;770℃下時效2800h，部分晶界比其他部分晶界稍寬，時效4500h后，部分晶界比其他部分寬許多，且呈不規(guī)則形狀。兩個溫度下都出現(xiàn)了部分晶界較寬的現(xiàn)象，不過兩者的形狀不同

（4）雖然可以從文獻上推測時效后Inconel 740H的硬度，但是顯微硬度測試不是很準(zhǔn)確。推薦加大試樣，使用布氏硬度。不過還是能夠確定原始試樣硬度最低，650℃時效的試樣硬度最高，770℃時效的試樣硬度次之，但是相同時效溫度下的硬度很接近，無法分辨。Inconel 740H的顯微硬度和γ析出相的尺寸相關(guān)，平均直徑為50nm時其硬度最大。

（5）由于很多析出相量較少，而且γ析出相為納米尺寸，做XRD測試得到的信息比較少，推薦使用化學(xué)萃取或使用TEM衍射的方法確定各種相的組成。XRD僅可檢測出γ相和γ相。

參考文獻

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[3]? 魯金濤，楊珍，徐松乾，趙海平，趙新寶，谷月峰. Inconel 740H合金在純水蒸氣環(huán)境中的高溫氧化行為[J]. 機械工程材料，2015，（10）：37-41.