9Cr-3Co-3W 鑄件材料應(yīng)用性能評價(jià)

張波，龍老虎，李清松

（1.長壽命高溫材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 德陽，618000；2.東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽，618000）

0 引言

隨著電力設(shè)計(jì)技術(shù)、材料技術(shù)和制造技術(shù)的發(fā)展，火力發(fā)電機(jī)組沿著亞臨界—超臨界—超超臨界—先進(jìn)超超臨界機(jī)組的方向推進(jìn)，使得火力發(fā)電機(jī)組參數(shù)（溫度、壓力）不斷提高，對部件及對應(yīng)的選材要求也越來越高，以保障機(jī)組的安全運(yùn)行。國內(nèi)外對超臨界、超超臨界用9%－12%Cr材料進(jìn)行深入研究，其中9%～12%CrMoWVNbN、9Cr1MoVNbN、9Cr2WMoVNbNB 廣泛應(yīng)用于600～620 ℃的超超臨界機(jī)組。美國Vison21、歐洲AD700 和日本A－USC 等計(jì)劃項(xiàng)目對700 ℃及以上等級先進(jìn)超超臨界機(jī)組用高溫合金進(jìn)行了試驗(yàn)研究工作，而中國也成立了“國家700 ℃超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟”，主要解決700 ℃等級超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)的關(guān)鍵問題，這些項(xiàng)目的研究成果表明CCA617、IN625、IN740 等高溫合金具備用于700 ℃等級以上超超臨界機(jī)組的技術(shù)條件，但由于高溫合金的制造成本高、技術(shù)難度大等問題，700 ℃及以上等級機(jī)組的示范應(yīng)用還處于停滯狀態(tài)。為滿足“碳達(dá)峰”和“碳中和”要求，綜合經(jīng)濟(jì)性、國內(nèi)外對耐熱鋼的研究成果的可行性以滿足電力市場的需求，燃煤發(fā)電機(jī)組將重心轉(zhuǎn)移到630～650 ℃等級超超臨界技術(shù)的應(yīng)用；對于630～650 ℃溫度范圍內(nèi)超超臨界機(jī)組用材主要基于620 ℃等級機(jī)組用材的成功應(yīng)用、日本提出的MARBN 合金和歐洲COST536 對MARBN 合金的優(yōu)化[1－5]。

本文通過對9Cr－3Co－3W 鑄造階梯試塊的解剖檢查，全面測試了該鑄件材料的主要應(yīng)用性能，充分評價(jià)9Cr－3Co－3W 鑄件材料應(yīng)用于630～650℃超超臨界機(jī)組汽缸、閥門等大型鑄件的可行性；評價(jià)內(nèi)容包括高溫瞬時(shí)拉伸性能、斷裂韌性、裂紋擴(kuò)展速率、低周疲勞性能和高溫持久性能等。

1 試料

本研究用的試料采用感應(yīng)電爐熔煉，砂型鑄造的階梯試塊，試料的主要合金含量（wt%）為0.1C－8.9Cr－2.7W－3Co－0.2V－0.06Nb－0.01N－0.01B，并對As、Sn、Sb、Al 等元素進(jìn)行嚴(yán)格控制。階梯試塊包括了100 mm、200 mm 和300 mm 等3 種厚度，階梯試塊圖樣如圖1 所示。試塊的超聲波探傷要求：（1）無面積缺陷的最大單個(gè)缺陷當(dāng)量FBH不超過φ2 mm，每100 cm2面積缺陷數(shù)量不超過2個(gè)；（2）面積缺陷的缺陷評定FBH 當(dāng)量φ1.6 mm，非形狀及耦合引起的底波損失50%以下。對于試塊存在的超標(biāo)缺陷在解剖時(shí)應(yīng)充分去除，防止缺陷引起的數(shù)據(jù)偏差。試塊重700 kg，經(jīng)過性能熱處理后的室溫力學(xué)性能見表1。

圖1 評估用階梯試塊尺寸/mm

表1 9Cr-3Co-3W 鑄件材料的室溫力學(xué)性能

2 試驗(yàn)及結(jié)果

2.1 試驗(yàn)方法

為確保評估數(shù)據(jù)的有效性，本研究涉及的試驗(yàn)及其試樣均按照相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，包括室溫拉伸試驗(yàn)方法GB/T 228.1，高溫拉伸試驗(yàn)方法GB/T 228.2，沖擊試驗(yàn)方法GB/T 229，布氏硬度試驗(yàn)方法GB/T 231.1，高溫持久試驗(yàn)方法GB/T 2039，低周疲勞試驗(yàn)方法GB/T 15248，斷裂韌度試驗(yàn)方法GB/T 21143 和裂紋擴(kuò)展速率方法GB/T 6398 等；相關(guān)試驗(yàn)測試的機(jī)構(gòu)具有CANS 資質(zhì)。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 高溫拉伸性能

分別在100 mm、200 mm、300 mm 厚度截面取高溫拉伸試樣，分別測試室溫、100 ℃、200℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃、600 ℃、700 ℃的強(qiáng)度和塑性指標(biāo)。測試結(jié)果如圖2 所示，圖2（a）為不同截面的拉伸強(qiáng)度隨溫度變化的分布，3 個(gè)截面的拉伸強(qiáng)度指標(biāo)差值在30 MPa 左右，最大差值為61 MPa；圖2（b）為不同截面的斷后伸長率A 隨溫度的分布，在相同溫度點(diǎn)的A 值一般差值為2%，最大差值為7%。說明該試塊的拉伸強(qiáng)度和塑性指標(biāo)比較均勻，為此，后續(xù)評價(jià)用的低周疲勞性能、斷裂韌度、裂紋擴(kuò)展速率、持久性能等僅在其中一個(gè)厚度截面進(jìn)行取樣測試和評價(jià)。

圖2 9Cr－3Co－3W 鑄件材料的高溫拉伸性能

2.2.2 低周疲勞性能

在200 mm 厚度截面取樣進(jìn)行9Cr－3Co－3W 鑄件材料的低周性能評價(jià)，測試溫度分別為室溫和650 ℃，應(yīng)變比為－1，總應(yīng)變幅0.4%～1.6%。在0.4%應(yīng)變幅條件下室溫的低周疲勞壽命高于650℃；但在1.6%應(yīng)變幅時(shí)，650 ℃對應(yīng)的低周疲勞壽命高于室溫，對應(yīng)的壽命均超過200 個(gè)循環(huán)周次。室溫和650 ℃條件下應(yīng)變幅Δεt與壽命Nf對應(yīng)的擬合曲線如圖3 所示，滿足關(guān)系，擬合相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.98 以上。

圖3 9Cr－3Co－3W 鑄件材料的Δεt－Nf 曲線

2.2.3 斷裂韌度

在階梯試塊200 mm 厚度截面取試樣進(jìn)行斷裂韌度測試，評價(jià)9Cr－3Co－3W 鑄件材料在630 ℃和650 ℃的斷裂力學(xué)性能。630 ℃和650 ℃溫度下9Cr－3Co－3W 鑄件材料的J0.2BL均達(dá)到了100 kJ/m2以上，圖4 為630 ℃和650 ℃溫度下9Cr－3Co－3W鑄件材料的J－R 曲線，相應(yīng)的J－Δa 關(guān)系符合J=α+β×（Δa）γ方程，擬合相關(guān)系數(shù)超過0.98。

圖4 9Cr－3Co－3W 鑄件材料的斷裂韌度

2.2.4 裂紋擴(kuò)展速率及門檻值

在階梯試塊100 mm 截面取樣進(jìn)行了室溫和650 ℃條件下的裂紋擴(kuò)展速率評價(jià)。室溫和650 ℃下9Cr－3Co－3W 鑄件材料門檻值ΔKth均達(dá)到6.0 MPa·m0.5以上，圖5 為根據(jù)測試數(shù)據(jù)擬合da/dNΔK 曲線，滿足冪指數(shù)關(guān)系，雙對數(shù)滿足線性回歸方程，擬合相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.98 以上。

圖5 9Cr－3Co－3W 鑄件材料的裂紋擴(kuò)展速率

2.2.5 高溫持久性能

在階梯試塊的100 mm、200 mm、300 mm 分別取樣進(jìn)行高溫持久性能試驗(yàn)。試驗(yàn)溫度600～675 ℃，試驗(yàn)應(yīng)力80～187 MPa，測試時(shí)間涵蓋了幾百小時(shí)到4 萬小時(shí)，累計(jì)測試時(shí)間達(dá)到22 萬小時(shí)，最長測試時(shí)間超過3 萬小時(shí)。利用測試的數(shù)據(jù)得到的持久L－M 曲線如圖6 所示，其中C 取值為20，圖中標(biāo)記×表示試驗(yàn)結(jié)束的參數(shù)點(diǎn)，而標(biāo)記為的點(diǎn)表示試驗(yàn)還在進(jìn)行中，藍(lán)色豎線是650℃條件下10 萬小時(shí)對應(yīng)的LMP 值，紅色豎線為630 ℃下10 萬小時(shí)對應(yīng)的LMP 值，2 條豎線與9Cr－3Co－3W 鑄件材料擬合的L－M 曲線的交點(diǎn)分別對應(yīng)相應(yīng)溫度條件下的外推持久強(qiáng)度。9Cr－3Co－3W 鑄件材料在630 ℃和650 ℃下10 萬小時(shí)的外推持久強(qiáng)度分別為90 MPa 和60 MPa。

圖6 9Cr－3Co－3W 鑄件材料的持久L－M 曲線

2.2.6 高溫長時(shí)時(shí)效性能

在階梯試塊的100 mm、200 mm、300 mm 截面取試樣進(jìn)行9Cr－3Co－3W 鑄件材料的長時(shí)時(shí)效處理，時(shí)效處理溫度分別為630 ℃、650 ℃，時(shí)效時(shí)間5 000 h、10 000 h。時(shí)效處理后進(jìn)行常規(guī)性能檢查、FATT50 試驗(yàn)和硬度試驗(yàn)。圖7（a）是時(shí)效對強(qiáng)度的影響，相對于未經(jīng)時(shí)效處理的強(qiáng)度：630℃下5 000 h、10 000 h 的抗拉強(qiáng)度幾乎無變化，Rp0.2下降了約30 MPa；650 ℃的抗拉強(qiáng)度下降了約40 MPa，Rp0.2下降了約50 MPa。圖7（b）是時(shí)效對斷后伸長率的影響，在15%～16%波動，影響不大。圖7（c）是時(shí)效對沖擊的影響，經(jīng)時(shí)效后沖擊功減少了10 J 以上，但均在14 J 以上。圖7（d）是時(shí)效對韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響，由于時(shí)效后沖擊性能下降，導(dǎo)致韌脆轉(zhuǎn)變溫度有所上升，而650℃下時(shí)效后的韌脆轉(zhuǎn)變溫度比630 ℃低。

圖7 9Cr－3Co－3W 鑄件材料經(jīng)長時(shí)時(shí)效后的性能變化

3 應(yīng)用性能分析

9Cr－3Co－3W 鑄件材料將主要應(yīng)用于超超臨界機(jī)組高中壓內(nèi)缸、閥殼、彎管的大型鑄件，這些部件在運(yùn)行過程中主要承受高溫高壓、因?yàn)闇囟纫鸷蜋C(jī)組啟停的蒸汽應(yīng)力、熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力等。因此，作為高溫高壓用的靜子部件，其主要應(yīng)用性能評價(jià)的指標(biāo)包括靜強(qiáng)度、低周疲勞性能、高溫持久性能和長時(shí)運(yùn)行后穩(wěn)定性。

3.1 靜強(qiáng)度的應(yīng)用評估

靜強(qiáng)度是指在不同的溫度條件下的高溫拉伸強(qiáng)度，主要是屈服強(qiáng)度或規(guī)定延性強(qiáng)度Rp0.2，用靜強(qiáng)度評價(jià)材料的應(yīng)用性能時(shí)其安全系數(shù)取值較高，一般均在3.0 及以上。9Cr－3Co－3W 鑄件材料在600 ℃和700 ℃時(shí)的Rp0.2 分別為363 MPa 和209 MPa；為準(zhǔn)確評價(jià)9Cr－3Co－3W 鑄件材料在630～650 ℃的靜強(qiáng)度，補(bǔ)充測試了630 ℃和650 ℃下材料的Rp0.2，分別達(dá)到了300 MPa 和270 MPa以上。因此，取3 倍安全系數(shù)下9Cr－3Co－3W 鑄件材料在630 ℃下的靜強(qiáng)度許用應(yīng)力達(dá)到100 MPa 以上，650 ℃下其靜強(qiáng)度許用應(yīng)力達(dá)到90 MPa 以上。

同時(shí)，對9Cr－3Co－3W 鑄件材料高溫拉伸強(qiáng)度測試結(jié)果進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，擬合相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.998，為此建立了9Cr－3Co－3W 鑄件材料的靜強(qiáng)度與溫度的3 次關(guān)系表達(dá)式，便于根據(jù)零部件的實(shí)際工況評價(jià)室溫到700 ℃范圍內(nèi)任一溫度點(diǎn)的靜強(qiáng)度。

3.2 低周疲勞性能評價(jià)

低周疲勞性能主要用于評價(jià)在機(jī)組啟停等特殊情況下對高溫高壓部件壽命的損傷，這些損傷是由塑性應(yīng)變引起的，為此其壽命評價(jià)主要以低周疲勞性能為主。根據(jù)圖3 的結(jié)果可知，總應(yīng)變幅為0.4%時(shí)室溫和650 ℃條件下9Cr－3Co－3W 鑄件材料的壽命均超過了1 萬次，分別達(dá)到8 萬次和1.5 萬次以上；總應(yīng)變幅為1.6%時(shí)，其壽命均超過200 次；9Cr－3Co－3W 鑄件材料的應(yīng)變－壽命曲線滿足Coffin－Manson 方程，機(jī)組在安全壽命評價(jià)時(shí)可按照對應(yīng)的曲線表達(dá)式進(jìn)行評價(jià)。通過對比9Cr－3Co－3W 鑄件材料的應(yīng)變－壽命滿足機(jī)組壽命的基本要求。

3.3 持久性能評價(jià)

高溫持久性能是部件安全性能評價(jià)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，是材料在高溫長時(shí)運(yùn)行條件下組織穩(wěn)定性和材料失效的綜合性能表征。根據(jù)9Cr－3Co－3W鑄件材料的高溫持久性能測試結(jié)果，最長試驗(yàn)時(shí)間達(dá)到4 萬小時(shí)以上，溫度范圍涵蓋了600～650℃，試驗(yàn)應(yīng)力范圍寬，試驗(yàn)斷裂試驗(yàn)范圍廣，該材料的持久強(qiáng)度外推滿足ASME 等標(biāo)準(zhǔn)的要求，試驗(yàn)參數(shù)點(diǎn)與持久強(qiáng)度L－M 曲線吻合度高，擬合相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.90 以上，因此630 ℃和650 ℃下10 萬小時(shí)的外推持久強(qiáng)度的可信度高。

根據(jù)圖6 可知，還有一半以上的試驗(yàn)仍在進(jìn)行中，這些數(shù)據(jù)可使得9Cr－3Co－3W 鑄件材料的持久強(qiáng)度L－M 向右移動，說明其隨著試驗(yàn)的持續(xù)推進(jìn)實(shí)際的持久強(qiáng)度將進(jìn)一步提高。在620 ℃條件下ZG12Cr9Mo1Co1NiVbNB 鑄件材料10 萬小時(shí)的持久強(qiáng)度為80 MPa 左右，利用其外推公式得到630 ℃下10 萬小時(shí)的持久強(qiáng)度大約為60 MPa[2]，由此可以看出9Cr－3Co－3W 鑄件材料對應(yīng)的持久強(qiáng)度比ZG12Cr9Mo1Co1NiVbNB 高出20%以上。

3.4 長時(shí)時(shí)效穩(wěn)定性評價(jià)

高溫長時(shí)持久性能是材料組織穩(wěn)定性和持久強(qiáng)度的綜合表征；而長時(shí)時(shí)效處理后的常規(guī)力學(xué)性能是溫度對材料力學(xué)性能影響的方法之一。根據(jù)630 ℃和650 ℃條件下5 000 h 和10 000 h 的長時(shí)時(shí)效處理后的力學(xué)性能與原始狀態(tài)相比：630 ℃下10 000 h 內(nèi)的強(qiáng)度、斷后伸長率和硬度變化不大；沖擊性能下降較明顯，相應(yīng)的韌脆轉(zhuǎn)變溫度有所提高，這些變化主要集中在時(shí)效的前5 000 h，5 000 h 與10 000 h 力學(xué)性能相當(dāng)。650 ℃下10 000 h 內(nèi)的斷后伸長率和硬度變化不大，強(qiáng)度（尤其是屈服強(qiáng)度）和沖擊下降較明顯，F(xiàn)ATT50 有所上升；同樣，這些變化主要集中在時(shí)效處理的前5 000 h，因?yàn)槠? 000 h 和10 000 h 的力學(xué)性能相當(dāng)。隨著后續(xù)更長時(shí)間的時(shí)效處理性能數(shù)據(jù)將進(jìn)一步評價(jià)其長時(shí)時(shí)效的溫度性。

4 結(jié)論

通過解剖階梯試塊對9Cr－3Co－3W 鑄件材料進(jìn)行全面力學(xué)性能評價(jià)，該材料在630～650 ℃具有良好的綜合力學(xué)性能，可用于該溫度條件下運(yùn)行部件的設(shè)計(jì)評估。

（1）經(jīng)性能熱處理后，階梯試塊3 個(gè)截面常規(guī)和高溫拉伸性能均勻；

（2）9Cr－3Co－3W 鑄件材料的高溫Rp0.2 與溫度之間滿足三次多項(xiàng)表達(dá)式關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果和擬合計(jì)算的結(jié)果可用于產(chǎn)品靜強(qiáng)度評估。

（3）9Cr－3Co－3W 鑄件材料在室溫和650 ℃的低周疲勞性能滿足Coffin－Manson 方程，可用于產(chǎn)品的低周疲勞壽命評估。

（4）9Cr－3Co－3W 鑄件材料的630 ℃/10 萬小時(shí)和650 ℃/萬小時(shí)持久強(qiáng)度分別達(dá)到90 MPa 和60 MPa，隨著后續(xù)試驗(yàn)的進(jìn)行其持久強(qiáng)度將進(jìn)一步提高，比620 ℃用ZG12Cr9Mo1Co1NiVbNB 鑄件材料持久強(qiáng)度高出20%以上。

（5）9Cr－3Co－3W 鑄件材料經(jīng)5 000 h 時(shí)效后性能有一定變化，但變化較小，具有一定的性能穩(wěn)定性。