B質(zhì)量分數(shù)對620 ℃時效中FB2鋼組織和力學(xué)性能的影響

陶學(xué)儒，耿鑫，姜周華，李揚，彭雷朕

(1. 東北大學(xué) 冶金學(xué)院，遼寧 沈陽，110819；2. 中國第二重型機械集團有限公司，四川 德陽，618000)

當前，大力發(fā)展超超臨界火電機組是進行煤電機組結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主要方向[1-3]。FB2鋼是620 ℃、32 MPa 超超臨界條件下服役的汽輪機轉(zhuǎn)子用鋼[4-5]。在此工況條件下，超超臨界火電機組的發(fā)電效率可達47.5%，CO2排放量相較于目前全球平均水平可降低約10%[6]。日本JCFC 和JSW、韓國斗山重工等均采用電渣重熔(ESR)[7]生產(chǎn)大型FB2鑄錠[8-9]。

MX相、M23C6相、Laves相等是FB2鋼中的主要析出相[10-12]。FB2鋼中的B可以取代原奧氏體晶界和馬氏體板條界附近M23C6中的部分C，形成M23(C, B)6，從而起到穩(wěn)定碳化物、抑制高溫服役條件下碳化物長大粗化的作用[13-16]。FB2鋼中N析出的細小、彌散分布且高溫服役條件下長大粗化速率較低的MX 相，是FB2 鋼重要的高溫強化相[17-18]。但是，F(xiàn)B2 鋼中B 易于和N 形成BN 夾雜物，BN夾雜物的析出，不僅降低了鋼中強化組元B、N 的有效含量，且大尺寸BN 易應(yīng)力集中，誘發(fā)蠕變孔洞形核，對鋼的高溫性能不利[19-22]。

亞晶結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性被認為是決定質(zhì)量分數(shù)為9%～12%Cr 耐熱鋼蠕變強度的主要因素[23-24]。M23C6相的尺寸與亞晶的厚度相當，且遍布于晶界和亞晶界處，因此，在控制亞晶粗化上，M23C6相比MX相起著更重要的作用[25]。但是，在長期時效過程，M23C6相會長大粗化，進而對材料的性能產(chǎn)生不利影響[26-28]，并且，會有粗大的Laves相在馬氏體板條界或晶界析出，降低材料的性能[29-31]。

本文作者研究長期時效過程中，不同B質(zhì)量分數(shù)的FB2 鋼的組織及力學(xué)性能的變化。本研究的目的是探究長期時效過程中M23C6相和Laves 相的長大粗化規(guī)律，以及B質(zhì)量分數(shù)對FB2鋼的組織及力學(xué)性能的影響。

1 實驗材料與方法

利用30 kg 真空感應(yīng)爐冶煉5 組不同B 質(zhì)量分數(shù)的FB2 鋼，具體成分如表1 所示。試樣首先在1 100 ℃保溫1 h，油淬冷卻，然后在570 ℃保溫2 h，空冷，一次回火，接著在700 ℃保溫2 h，空冷，二次回火，最后在620 ℃下進行2 000 h 的長期時效實驗，在100、500、1 000、1 500和2 000 h取時效樣，時效后空冷至室溫。

表1 實驗用鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))Table 1 Chemical composition of experimental steel %

對不同的時效試樣用維樂試劑(1 g 苦味酸+5 mL鹽酸+100 mL無水乙醇)浸泡腐蝕60～90 s時進行SEM-EDS(Care Zeiss Ultra Plus)分析。通過SEM-BSE分析可以從基體中區(qū)分出具有較大原子序數(shù)的Laves相，即M23C6相在SEM圖片中顯示為白色，在BSE 圖片中顯示為灰色，而Laves 相在SEM 和BSE 圖片中均顯示為白色。在此基礎(chǔ)上，用Image-Pro Plus 軟件對析出相的尺寸和數(shù)量進行分析。采用日本島津制造所生產(chǎn)的AG-XPLUS 100 kN 萬能試驗機，進行時效試樣的室溫拉伸實驗，實驗過程中應(yīng)變速率為1 mm/min。硬度采用洛氏硬度(HRC)進行測試。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 B質(zhì)量分數(shù)對時效中FB2鋼析出相的影響

使用Thermo-Calc 2019 a(TCFE9)計算不同B質(zhì)量分數(shù)的FB2鋼中M23C6含量的變化，對620 ℃下不同B質(zhì)量分數(shù)的FB2鋼中的M23C6相的質(zhì)量分數(shù)進行分析，如圖1 所示。從圖1 可以看出：620 ℃下FB2鋼中M23C6相的質(zhì)量分數(shù)隨著B質(zhì)量分數(shù)的增加而逐漸降低，說明B起到了抑制M23C6相析出的作用。

圖1 620 ℃下FB2鋼中M23C6相質(zhì)量分數(shù)隨B質(zhì)量分數(shù)的變化Fig. 1 Change of M23C6 phase mass fraction with B mass fraction in FB2 steel at 620 ℃

2號FB2鋼不同時效時間后的SEM圖如圖2所示。從圖2 可知：隨著時效時間的增長，M23C6相在晶界處聚集粗化，并且在晶界內(nèi)部也可以觀察到M23C6相粗化的現(xiàn)象。

圖2 2號FB2鋼不同時效時間后的SEM圖Fig. 2 SEM images of No.2 FB2 steel after different aging times

使用Image-Pro Plus 軟件對不同B 質(zhì)量分數(shù)的FB2鋼時效過程中的M23C6相的尺寸進行統(tǒng)計，如圖3 所示。從圖3 可以看出：隨著時效時間的增長，M23C6相的平均尺寸逐漸長大。M23C6相的平均尺寸隨著B質(zhì)量分數(shù)的增加而逐漸減小，由此可見，B 元素可以抑制M23C6相的長大粗化，這與圖1的熱力學(xué)計算結(jié)果一致。

圖3 不同B質(zhì)量分數(shù)FB2鋼時效過程中M23C6相平均尺寸的變化Fig. 3 Change of average size of M23C6 in FB2 steel with different B mass fractions during aging

在時效過程中，不僅會有M23C6相的長大粗化，還會出現(xiàn)Laves 相的長大粗化。使用Thermo-Calc 2019 a(TCFE9)計算不同B 質(zhì)量分數(shù)的FB2 鋼中Laves 相質(zhì)量分數(shù)的變化，結(jié)果如圖4 所示。從圖4 可以看出：FB2 鋼中的Laves 相隨著溫度的升高而逐漸降低，回溶溫度隨著B質(zhì)量分數(shù)的增加而逐漸降低。

圖4 不同B質(zhì)量分數(shù)的FB2鋼中Laves相質(zhì)量分數(shù)隨溫度的變化Fig. 4 Change of Laves phase mass fraction in FB2 steel with different B mass fractions with temperature

對620 ℃下不同B 質(zhì)量分數(shù)的FB2 鋼中的Laves相的質(zhì)量分數(shù)進行分析，如圖5所示。從圖5可以看出：620 ℃下FB2 鋼中的Laves 相的質(zhì)量分數(shù)隨著B質(zhì)量分數(shù)的增加而逐漸降低，說明B元素有抑制Laves相析出的作用。

圖5 620 ℃下FB2鋼中Laves相質(zhì)量分數(shù)隨B質(zhì)量分數(shù)的變化Fig. 5 Change of Laves phase mass fraction with B mass fraction in FB2 steel at 620 ℃

對2 號FB2 鋼的時效樣進行BSE 觀察，如圖6所示。從圖6 可以看出：時效進行到1 000 h 開始析出Laves 相。隨著時效時間的增長，Laves 在晶界處析出粗化，同時在晶界內(nèi)部，也有部分Laves相析出粗化。這與XU 等[32]研究的10% Cr 馬氏體鐵素體鋼長期時效過程中Laves相的形核與長大機理一致，即第一種機理是Laves 相在M23C6型碳化物附近區(qū)域形核，在長大過程中它們會逐漸吞并鄰近區(qū)域的M23C6，并且會造成C 原子在Laves 與M23C6相界附近的偏聚；第二種機理是Laves 相在晶界或馬氏體板條界獨立形核，它們與其中一個晶粒共格而向鄰近晶粒生長，而且第二種機理是Laves相的主要形核機理。

圖6 2 號FB2鋼不同時效時間后的BSE圖Fig. 6 BSE diagrams of No.2 FB2 steel after different aging times

使用Image-Pro Plus 軟件對不同B 質(zhì)量分數(shù)的FB2 鋼時效過程中的Laves相的尺寸進行統(tǒng)計，如圖7所示。從圖7可以看出：時效1 000 h開始析出Laves 相，并且Laves 相的平均尺寸隨著時效時間的增長而逐漸增大，這說明Laves相在1 000 h時效后不斷聚集粗化。Laves 相的平均尺寸隨著B 質(zhì)量分數(shù)的增加而逐漸減小，這說明B元素起到了抑制Laves 相長大粗化的作用，這與圖5 所示的熱力學(xué)計算結(jié)果一致。

圖7 不同B質(zhì)量分數(shù)FB2鋼時效過程中Laves相平均尺寸的變化Fig.7 Change of average size of Laves in FB2 steel with different B mass fractions during aging

2.2 B質(zhì)量分數(shù)對FB2鋼中BN夾雜物的影響

FB2鋼中B和N易形成BN夾雜物，BN夾雜物的析出，不僅降低了鋼中強化組元B、N的有效含量，且在服役條件下，大尺寸BN易應(yīng)力集中，誘發(fā)蠕變孔洞形核，對鋼的高溫性能不利，鋼中的w(B)和w(N)關(guān)系應(yīng)滿足式(1)[33]。

其中：w(N)為鋼中N 質(zhì)量分數(shù)；w(B)為鋼中B 質(zhì)量分數(shù)。結(jié)合式(1)及FB2 鋼中w(N)，可得FB2 鋼中合適的w(B)，如圖8所示。從圖8可以看出：隨著B質(zhì)量分數(shù)的增加，鋼中會析出BN夾雜物。

圖8 鋼中BN平衡析出的w(B)和w(N)關(guān)系Fig. 8 w(B) and w(N) relation of BN equilibrium precipitation in steel

使用Thermo-Calc 2019 a(TCFE9)計算不同B質(zhì)量分數(shù)的FB2鋼中的BN夾雜物含量的變化，如圖9 所示。從圖9 可以看出：隨B 質(zhì)量分數(shù)的增加，BN 夾雜物的析出量呈現(xiàn)增長的趨勢，并且BN 夾雜物的回溶溫度隨著B 質(zhì)量分數(shù)的增加而逐漸增大。

圖9 鋼中BN的析出質(zhì)量隨w(B)和溫度的變化Fig. 9 Change of precipitation quality of BN in steel with w(B) and temperature

對時效1 500 h 后不同B 質(zhì)量分數(shù)的FB2 鋼進行BSE及能譜分析，如圖10所示。從圖10可以看出：隨著B 質(zhì)量分數(shù)的增加，BN 夾雜物析出的量明顯增加，這與圖9的結(jié)果一致。

圖10 不同B質(zhì)量分數(shù)FB2鋼時效1 500 h后的BSE圖及能譜分析Fig. 10 BSE diagram and energy spectrum analysis of FB2 steel with different B mass fractions after 1 500 h of aging

2.3 B質(zhì)量分數(shù)對時效中FB2鋼拉伸性能的影響

對時效過程中的FB2 鋼進行拉伸性能測試，測試結(jié)果如圖11 所示。從圖11(a)可以看出：隨著時效時間的延長，F(xiàn)B2 鋼的抗拉強度逐漸減小，在時效初期時，抗拉強度下降速度較快，時效1 000 h 后抗拉強度下降速度減緩。從圖11(b)可以看出：FB2鋼的屈服強度隨著時效時間的延長而逐漸降低，在時效初期時，屈服強度下降較快，在時效1 000 h 后，下降速度減緩。從圖11(c)可以看出：FB2 鋼的伸長率隨著時效時間的延長逐漸升高，在時效初期時，伸長率上升速度較快，在時效1 000 h 后上升速度逐漸緩慢。FB2 鋼的抗拉強度、屈服強度都隨B 質(zhì)量分數(shù)的增加先升高后降低，且都在B 質(zhì)量分數(shù)為0.010%時達到最大，而伸長率隨B質(zhì)量分數(shù)的增加先減小后增大，在B質(zhì)量分數(shù)為0.010%時達到最小。

圖11 時效過程中FB2鋼拉伸性能的變化Fig. 11 Change of tensile properties of FB2 steel during aging

由圖11可知：當FB2鋼中的B質(zhì)量分數(shù)由0增加到0.010%時，拉伸性能呈現(xiàn)了增強的趨勢，當B 質(zhì)量分數(shù)繼續(xù)增加到0.030%時，拉伸性能呈現(xiàn)了減弱的趨勢。結(jié)合2.1 節(jié)和2.2 節(jié)的研究內(nèi)容，當B 質(zhì)量分數(shù)由0 增加到0.010%時，拉伸性能的增強是因為M23C6相和Laves 相的平均尺寸的減小所引起的；當B 質(zhì)量分數(shù)由0.010%增加到0.030%時，拉伸性能的減弱則是由于BN夾雜物析出量的增加所導(dǎo)致的。

2.4 B質(zhì)量分數(shù)對時效中FB2鋼硬度的影響

對時效過程中的FB2 鋼進行硬度測試，測試結(jié)果如圖12 所示。從圖12 可以看出：FB2 鋼的硬度隨著時效時間的增長而逐漸降低，在時效初期，硬度下降較快，并且在時效1 000 h 后，硬度下降速度趨于平緩。在短時時效過程中，硬度的降低主要是由于位錯發(fā)生回復(fù)，位錯密度降低，硬度下降；在長期時效過程中，硬度的降低主要歸因于亞晶尺寸的增加。

圖12 時效過程中FB2鋼硬度的變化Fig. 12 Change of hardness of FB2 steel during aging

從圖12 還可以看出：FB2 鋼的硬度隨著B 質(zhì)量分數(shù)的增加先增大后減小，并且在B質(zhì)量分數(shù)為0.010%時達到最大。結(jié)合2.1 和2.2 節(jié)，當B 質(zhì)量分數(shù)由0增加到0.010%時，硬度的增大是M23C6相和Laves相的平均尺寸的減小使得亞晶尺寸減小所引起的；當B 質(zhì)量分數(shù)由0.010%增加到0.030%時，硬度的減小是BN夾雜物析出量的增加使得位錯發(fā)生回復(fù)所導(dǎo)致的。

3 結(jié)論

1) 在FB2 鋼620 ℃長期時效中，M23C6相的平均尺寸隨時效時間的延長逐漸增大，其平均尺寸隨B 質(zhì)量分數(shù)的增加而逐漸減小；Laves 相在時效1 000 h后析出，并且隨著時效時間的延長不斷長大粗化，其平均尺寸隨B質(zhì)量分數(shù)的增加而逐漸減小；BN 夾雜物的析出量隨B 質(zhì)量分數(shù)的增加而逐漸增大。

2) FB2鋼的拉伸性能隨著時效時間的延長而逐漸減弱，隨B質(zhì)量分數(shù)的增加先增強后減弱。當B質(zhì)量分數(shù)由0 增加到0.010%時，拉伸性能的增強是因為M23C6相和Laves 相的平均尺寸的減小所引起的；當B 質(zhì)量分數(shù)由0.010%增加到0.030%時，拉伸性能的減弱是因為BN夾雜物析出量的增加所導(dǎo)致的。

3) FB2鋼的硬度隨著時效時間的延長而逐漸減小，隨B質(zhì)量分數(shù)的增加先增大后減小。當B質(zhì)量分數(shù)由0 增加到0.010%時，硬度的增大是因為M23C6相和Laves 相的平均尺寸的減小使得亞晶尺寸減小所引起的；當B 質(zhì)量分數(shù)由0.010%增加到0.030%時，硬度的減小是因為BN夾雜物析出量的增加使得位錯發(fā)生回復(fù)所導(dǎo)致的。

4) 為充分發(fā)揮鋼中B、N的強化作用，同時提高FB2鋼的高溫性能及穩(wěn)定性，鋼中較優(yōu)的B質(zhì)量分數(shù)控制在0.010%左右。