高溫時效對一種鐵鎳基合金組織穩(wěn)定性的影響

楊 權,馮 起,徐 航,趙中赫,郝維勛,李慶春,英曉宇

(1.高效清潔燃煤電站鍋爐國家重點實驗室，哈爾濱 150046；2. 哈爾濱鍋爐廠有限責任公司，哈爾濱 150046)

0 引 言

提高超超臨界燃煤電站機組的參數(shù)，可以提高燃料熱效率、降低煤耗和減少CO2排放，在節(jié)能減排、環(huán)境保護方面意義重大，是煤炭資源能夠高效清潔利用的重要方式和手段[1-2]。先進、發(fā)達國家均制定了一系列的研究計劃，致力于提高燃煤電廠的燃料利用效率，包括中國的650 ℃計劃、歐盟的700 ℃計劃和美國的760 ℃計劃等，均把更高參數(shù)發(fā)電機組作為發(fā)展方向。更高參數(shù)機組的發(fā)展，面臨的重點、難點問題是高溫性能優(yōu)越材料的研發(fā)和利用，要求材料在運行溫度下具有良好的強度、蠕變性能和組織穩(wěn)定性。Ni47Cr23Fe23W7鋼以其良好的性能和相對鎳基合金較低的價格，是作為高參數(shù)鍋爐集箱和管道的熱門候選材料，該材料是由日本某公司于1986年研制成功的Fe-Ni基合金，主要成分是Ni、Fe、Cr、W，并添加了C、Ti、Nb、B等合金元素，能夠形成細小碳化物，起到強化作用，主要依靠W的固溶強化，B的間隙固溶強化和Nb、V形成納米級MX相的析出強化[3]。國內目前尚無該材料在650 ℃參數(shù)下的試驗或運行數(shù)據(jù)。此文通過研究Ni47Cr23Fe23W7大口徑管在650 ℃參數(shù)下的長時組織穩(wěn)定性，為650 ℃參數(shù)鍋爐的選材提供數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗研究

1.1 材料分析

試驗所用Ni47Cr23Fe23W7大口徑無縫鋼管是由日本某鋼廠生產(chǎn)制造。采用德國ELTRA GmbH公司生產(chǎn)的CS800型碳硫分析儀材料的碳和硫的成分含量進行定量分析；采用力可公司生產(chǎn)的TC500型氧氮測定儀對材料的氧和氮的含量進行定量分析；其他成分采用Thermo ELECTRON CORPORATION生產(chǎn)的IRIS Intrepid II XSP型電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀(ICP)和德國斯派克公司生產(chǎn)的M8型光電直讀式光譜儀進行定量檢測。該材料的實測化學成分見表1。

表1 化學成分 Table 1 Chemical compositions 單位：%

1.2 長期時效試驗及組織觀察

對原材料大口徑無縫鋼管進行取樣，截取15 mm×15 mm×200 mm的條狀試樣，以便于熱處理和后續(xù)的試樣加工。在高溫時效熱處理爐內分別進行650 ℃溫度下1 000 h、3 000 h、5 000 h、8 000 h和10 000 h的時效處理。時效處理后，對各不同時長時效處理的試樣分別制取金相試樣，經(jīng)過粗磨、細磨和拋光，采用50%鹽酸酒精溶液侵蝕后，進行金相組織觀察，如圖1所示。從金相組織可以看出，時效后鋼管的金相組織穩(wěn)定，金相組織為單一奧氏體組織，晶粒未發(fā)生變形或粗化，時效時間達到5 000 h以上后，逐漸在晶界和晶粒內部出現(xiàn)少量析出相，并且析出相尺寸較小，時效時間繼續(xù)延長后，析出相數(shù)量緩慢增加。

圖1 不同時效時間后的金相組織Fig.1 Metallographic structure after different aging time

1.3 掃描電鏡及能譜觀察

為更好的觀察析出相的形貌和分析析出相的成分，對制備完成的金相試樣進行掃描電鏡觀察及能譜分析。采用Apollo 300型熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡及配套的Quantex型能譜儀分別對不同時間時效后的試樣進行SEM觀察。形貌如圖2所示，隨著時效時間的延長，晶界及晶粒內部均開始產(chǎn)生顆粒狀或短棒狀析出相，并且析出相逐漸增多、長大。顆粒狀析出相沿晶界和晶粒內部彌散分布，短棒狀析出相在晶內彌散分布。

圖2 不同時效時間后的SEM形貌Fig.2 SEM morphology after different aging time

對時效10 000 h試樣的顆粒狀和短棒狀析出相進行能譜分析，如圖3、圖4所示，與基體成分相比， 顆粒狀析出相的Cr、W和C含量急劇升高，F(xiàn)e、 Ni 含量大幅度降低，短棒狀析出相的C含量很低。

圖3 時效10 000 h試樣顆粒狀析出相能譜Fig.3 EDS of granular precipitates after aging 10 000 h

圖4 時效10 000 h試樣短棒狀析出相能譜Fig.4 EDS of short rod-like precipitates after aging 10 000 h

2 試驗結果分析

650 ℃長時時效試驗表明，Ni47Cr23Fe23W7材料的高溫性能良好、組織穩(wěn)定。時效10 000 h后，晶內和晶界有一定量的析出相，析出相緩慢長大，呈顆粒狀和短棒狀，光學顯微鏡觀察析出相并不明顯，與基體之間未見裂紋萌生，呈彌散狀分布，對基體起到很好的強化作用。根據(jù)析出相的形貌和能譜分析結果判斷，顆粒狀析出相主要是碳化物M23C6和MC，短棒狀析出相主要在晶內較多，該析出相富含W、Cr，含有一定量的Fe，該析出相主要是Laves相(Fe2W)，Laves相是一種密排立方或六方結構的金屬間化合物，是長時時效后的主要析出相[4]，且經(jīng)過10 000 h時效后未發(fā)生明顯粗化，說明該材料在650 ℃具有優(yōu)異的長時組織穩(wěn)定性。

根據(jù)Ni47Cr23Fe23W7在650 ℃溫度下長時時效后的組織變化，利用組織轉變動力學研究中常用的約翰遜-邁爾(JMAK)方程[4]對相變進行程度進行推導。JMAK方程如下：

X=1-exp(-ktn)

式中：X表示組織轉變的進行程度；t表示組織轉變發(fā)生的持續(xù)時間；k是與溫度有關的系數(shù)；n是與形核和長大方式有關的Avrami指數(shù)。Ni47Cr23Fe23W7材料的Avrami指數(shù)n=0.81。在650 ℃溫度下，時效10 000 h后，實測的組織轉變進行程度X≈0.005 228，根據(jù)JMAK方程對已知數(shù)據(jù)進行代入，如下：

0.005 228=1-exp(-k·10 0000.81)

經(jīng)計算，650 ℃溫度下的k≈3.02×10-6。

根據(jù)JMAK方程X=1-exp(-3.02×10-6·t0.81)，繪制Ni47Cr23Fe23W7在650 ℃下組織轉變程度隨時效時間變化的曲線，如圖5所示。

圖5 組織轉變程度隨時間變化曲線Fig.5 Change curve of tissue transformation degree with time

當組織轉變進行程度達到5%時，認為該組織已經(jīng)開始粗化，即：

5%=1- exp(-3.02×10-6·t0.81)

經(jīng)計算，t≈166 835 h，即Ni47Cr23Fe23W7鋼管在650 ℃溫度下，預計需要16.7萬小時后組織才開始發(fā)生明顯粗化，具有優(yōu)異的組織穩(wěn)定性。雖然析出的Laves相隨著時間逐漸長大，但長大速度極慢。

鍋爐設計壽命一般為30年，按每臺機組年平均發(fā)電時間約5 000 h計算，強化相開始發(fā)生粗化的時間應在15萬小時以上，才能滿足設計壽命要求。根據(jù)JMAK方程推算的Ni47Cr23Fe23W7在650 ℃溫度下組織開始發(fā)生粗化的時間約為16.7萬小時，能夠滿足使用要求。鑒于在650 ℃溫度下優(yōu)異的組織穩(wěn)定性，Ni47Cr23Fe23W7鋼管可作為650 ℃超超臨界機組鍋爐集箱和管道的候選材料。

3 結 語

1) 在650 ℃下，Ni47Cr23Fe23W7的組織預計開始發(fā)生粗化的時間約為16.7萬小時，具有優(yōu)異的組織穩(wěn)定性。

2) 在高溫力學性能滿足使用要求的條件下，Ni47Cr23Fe23W7鋼管的高溫組織穩(wěn)定性滿足650 ℃超超臨界機組鍋爐集箱和管道候選材料的要求。