P92 鋼管高溫持久試驗及組織演變研究

李 進，陳 桂，張劍楠

（1. 揚州誠德鋼管有限公司，江蘇 揚州 225215；2. 南京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210009）

P92 鋼是在P91 鋼化學(xué)成分的基礎(chǔ)上添加元素W，適當減少Mo 含量，另外添加微量的B，達到晶界強化和碳化物彌散強化的效果來增加其高溫強度的［1-7］；因此，P92 鋼具有比P91 鋼更好的抗高溫氧化性能和更優(yōu)異的耐腐蝕性能。P92 鋼的熱膨脹系數(shù)小、熱導(dǎo)率高，在火電廠高的啟停速率下不會造成金屬部件的熱疲勞損壞，具有優(yōu)良的斷裂強度，主要用于蒸汽參數(shù)超過600 ℃/25 MPa 的超超臨界火力發(fā)電機組的主蒸汽管道和再熱蒸汽管道等。現(xiàn)主要采用高溫持久試驗來研究P92 鋼管在服役溫度625 ℃下的持久強度以及組織演變情況，以期保證產(chǎn)品的使用性能，并為在役產(chǎn)品的質(zhì)量監(jiān)督管理提供依據(jù)。

1 試驗材料

試驗材料為揚州誠德鋼管有限公司采用錐形輥穿孔機斜軋生產(chǎn)的Φ610 mm×102 mm 規(guī)格P92 鋼管，坯料是國內(nèi)某鋼廠生產(chǎn)的P92 鍛坯。該鋼管的熱處理工藝為：1 060 ℃正火，保溫時間120 min，空冷；770 ℃回火，保溫時間360 min，空冷。P92 鋼管試樣的化學(xué)成分見表1。

表1 P92 鋼管試樣的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)） %

2 高溫持久試驗

高溫持久試驗按照GB/T 2039—2012《金屬材料單軸拉伸蠕變試驗方法》中的方法，在RD2-3 高溫持久試驗機上進行。在P92 鋼管1/2 壁厚處取Ф10 mm 高溫持久試樣，夾緊螺紋規(guī)格為M16，試驗溫度625 ℃。在不同加載應(yīng)力下測得P92 鋼管試樣的斷裂時間，結(jié)果見表2。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)進行分析和處理，得出P92 鋼管在625 ℃的持久強度外推曲線，如圖1 所示。

表2 P92 鋼管在625 ℃時的持久試驗結(jié)果

圖1 625 ℃溫度下P92 鋼管的持久強度外推曲線

采用Origin8.1 軟件對表2 數(shù)據(jù)和圖1 所示曲線進行線性擬合，得到方程（1），可計算出P92 鋼管在625 ℃時105h 下的持久強度σ 為103.8 MPa。

試驗數(shù)據(jù)擬合參數(shù)見表3。曲線的線性相關(guān)系數(shù)為0.988 48，數(shù)據(jù)和擬合曲線的相關(guān)性擬合程度較好，結(jié)果可信。

由圖1 可知，應(yīng)力與斷裂時間在雙對數(shù)坐標軸中呈線性直線關(guān)系，兩者成反比，即應(yīng)力越大，斷裂時間越短。用擬合方程外推P92 鋼管在625 ℃、105h 時的持久強度為103.8 MPa，與ASME Code Case 2179-6 提供的最大許用應(yīng)力值推算該材料在該溫度下的持久強度87.4 MPa 相比，P92 鋼管的高溫持久性能更加優(yōu)異。

表3 試驗數(shù)據(jù)擬合參數(shù)

3 顯微組織

3.1 光學(xué)顯微組織

P92 鋼經(jīng)正火+回火后的組織是回火馬氏體結(jié)構(gòu)，馬氏體板條內(nèi)部位錯密度高。沿拉伸斷裂試樣縱向剖開，在距離斷口40 mm 處取試樣，分析P92鋼管的常溫金相組織；在625 ℃/120 MPa/8 753 h高溫持久斷裂試樣上取樣，取樣位置距離斷口40 mm 處，分析P92 鋼管的高溫金相組織。試樣經(jīng)打磨、拋光后用5 mL 鹽酸+1 g 苦味酸+100 mL 酒精配制成的溶液進行腐蝕。在光學(xué)顯微鏡下觀察P92鋼管常溫下和625 ℃/120 MPa 持久狀態(tài)下的顯微組織，具體如圖2 所示。由圖2 可知，常溫下的馬氏體板條組織較細化，碳化物均勻彌散分布在板條內(nèi)；高溫持久斷裂試樣的顯微組織形態(tài)仍保持板條狀馬氏體結(jié)構(gòu)，但是由于長時間處于高溫，馬氏體板條發(fā)生回復(fù)，板條寬度變寬，同時碳化物顆粒粗化，往晶界偏聚，位錯密度降低，原細化馬氏體板條界模糊融合，只保留粗大的馬氏體板條束和原始位相，板條內(nèi)的碳化物呈鏈狀分布較明顯。

圖2 P92 鋼管顯微組織

3.2 電鏡顯微組織

P92 鋼在回火過程中會出現(xiàn)大量的碳化物析出相，主要是M23C6相和MX 相［8-14］。M23C6和MX 均為面心立方結(jié)構(gòu)，作為沉淀強化相存在于P92 鋼的回火馬氏體基體中。M23C6相分子式一般為（Fe，Cr或Mo）23C6，面心立方結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，其尺寸一般在100~600 nm［15］，主要在板條界和原奧氏體晶界上析出，能夠有效阻止亞晶界在高溫和應(yīng)力加載過程中的回復(fù)移動，從而保證亞晶結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。MX相分子式為（V，Nb）（C 或N），尺寸更小，一般為20~80 nm［15］，主要在亞晶內(nèi)位錯處析出，彌散強度更佳，對位錯滑移起到釘扎作用，使得P92 鋼具有更好的穩(wěn)定性。

P92 持久試樣在625 ℃/120 MPa/8 753 h 斷裂條件下，采用掃描電子顯微鏡的背散射電子圖像方法，檢測試樣表面的相分布狀況，如圖3 所示。說明P92 鋼在高溫高應(yīng)力持久過程中，產(chǎn)生了大尺寸的新相——Laves 相，Laves 相主要是P92 中含有的W 和Fe 結(jié)合生成的Fe2W，比P91 鋼生成的Fe2Mo 更能阻止位錯滑移，同時延緩馬氏體回復(fù)的效果更強［16］。圖3 所示白亮色顆粒即為Laves 相，灰暗色顆粒為M23C6相。Laves 相和M23C6一樣，都主要沿原奧氏體晶界、馬氏體板條界析出長大，在馬氏體板條內(nèi)也有少量分布。

圖3 P92 鋼管在625 ℃/120 MPa/8 753 h 的背散射分析結(jié)果

為進一步研究Laves 相在高溫高應(yīng)力下的演變情況，選取在625 ℃/100 MPa/11 188 h 持久試驗條件下的P92 鋼管試樣進行透射電鏡分析，分析圖像如圖4 所示，隨著高溫持久時間的加長，Laves相生長速率較快，達到1 μm 左右，是MX 相直徑100 倍以上。為研究P92 鋼管在625 ℃/120 MPa 持久狀態(tài)下Laves 相引起的孔洞出現(xiàn)和生長過程，采用掃描電鏡觀察238 h 和8 753 h 持久時間下的析出相形貌，掃描電鏡結(jié)果如圖5 所示，圖5（a）所示視場內(nèi)開始出現(xiàn)了大量的孔洞，但是孔洞尺寸較小，約0.1 μm；圖5（b）中的孔洞數(shù)量較少，但尺寸明顯變大，達到1 μm，這說明隨時間的加長，孔洞逐漸融合。Laves 相對高溫持久斷裂強度的影響較復(fù)雜，首先，Laves 相在高溫中逐漸析出長大，在形成初期對提高斷裂強度是有益的；然而隨著時間的延長，Laves 相達到臨界尺寸后，Laves 相由于是金屬間化合物，表現(xiàn)為脆性，此處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，在馬氏體板條周圍和基體之間會形成孔洞，使得強度降低。

圖4 P92 鋼管在625 ℃/100 MPa/11 188 h 的透射電鏡結(jié)果

圖5 P92 鋼管在625 ℃/120 MPa 狀態(tài)下的掃描電鏡結(jié)果

為了確定該Laves 相的具體成分類型，對625℃/120 MPa/8 753 h 持久斷裂樣品的相成分進行分析，具體分析結(jié)果見表4，圖6 所示為相應(yīng)的相成分能譜分析結(jié)果，由于該第二相位于孔洞的邊緣，光柵確定的電子束區(qū)域包含基體較少；因此，所得到的成分主要為該第二相的成分，分析表4 中的成分，基本可以確定該第二相為Laves 相的Fe2W 結(jié)構(gòu)，同時Cr、Mo 元素作為固溶元素，與典型的Fe2W 實際成分相比，F(xiàn)e 偏高，W 偏低，形成典型的復(fù)合型為A2B型（A 為Fe，B 為W、Mo）的金屬間化合物。說明出現(xiàn)Laves 相需經(jīng)過長時間的高溫和高應(yīng)力，通常以消耗鋼材基體以及周圍的M23C6、MX 相中的Cr 和Mo 以助其長大，從而降低了基體組織中合金元素固溶強化和M23C6、MX 相的沉淀強化的作用，Laves 相孔洞的融合加快了高溫強度退化的速度。

表4 Laves 相成分分析結(jié)果%

圖6 Laves 相成分能譜分析結(jié)果

4 結(jié) 語

（1） 根據(jù)P92 鋼管625 ℃持久強度試驗結(jié)果，外推得出其在625 ℃、105h 下的持久強度為103.8 MPa，比ASME Code Case 2179-6 提供的參考持久強度要高出許多，證明其持久性能優(yōu)異。

（2） P92 鋼管在常溫下的組織為回火馬氏體結(jié)構(gòu)，在625 ℃/120 MPa/8 753 h 持久斷裂狀態(tài)下雖然仍保持板條狀馬氏體結(jié)構(gòu)，但是由于長時間處于高溫環(huán)境，馬氏體板條發(fā)生回復(fù)粗化，馬氏體板條寬度變寬，位錯密度降低，晶界碳化物增多。

（3） P92 鋼在625 ℃/120 MPa/238 h 持久狀態(tài)下已開始出現(xiàn)了大量的微小孔洞，孔洞尺寸約為0.1 μm；625 ℃/120 MPa/8 753 h 持久斷裂狀態(tài)下，孔洞逐漸融合長大，同時數(shù)量變少，孔洞長大到臨界尺寸1 μm 后，孔洞周邊的Laves 相消耗鋼材基體強化元素Cr 和Mo，導(dǎo)致基體中的M23C6、MX 相的沉淀強化作用降低。

（4） Laves 相為P92 鋼在高溫高應(yīng)力狀態(tài)下析出的第二相，典型結(jié)構(gòu)為A2B 型（A 為Fe，B 為W、Mo）的金屬間化合物。Laves 相在P92 鋼中是富Cr和Mo 的有害相。