高鉻鐵素體耐熱鋼蠕變機(jī)理和氧化行為的研究.pdf

1、為了節(jié)能減排、降本增效,火力發(fā)電公司需要提高火力發(fā)電機(jī)組蒸汽參數(shù)(溫度和壓力),以此來(lái)提高電廠的燃煤效率。蒸汽參數(shù)的提高要求鐵素體鋼的高溫性能提出更高的要求。隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,國(guó)內(nèi)加大了服役在更高蒸汽溫度和壓力的超(超)臨界火力機(jī)組的投建,這必然對(duì)鐵素體鋼的高溫性能提出更高的要求。對(duì)這種新型帶有高溫?zé)釓?qiáng)性的新型鐵素體鋼需求基本上依靠國(guó)外進(jìn)口,這實(shí)際限制國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)它的需求,從而限制了電力行業(yè)的發(fā)展。作為國(guó)內(nèi)的鋼鐵龍頭老大,寶鋼勢(shì)必要緊跟

2、國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)新型高鉻鐵素體耐熱鋼需要,加大研發(fā)力度,從以往的引進(jìn)國(guó)際產(chǎn)品到自主創(chuàng)新的轉(zhuǎn)變。寶鋼目前已經(jīng)有能力生產(chǎn)符合ASEM T91鋼,來(lái)滿足國(guó)內(nèi)亞臨界和超臨界火力發(fā)電機(jī)組對(duì)鐵素體鋼的需求為了將來(lái)設(shè)計(jì)和研制開(kāi)發(fā)新型帶有更高熱強(qiáng)性的鐵素體型耐熱鋼,理解鋼中主要強(qiáng)化元素對(duì)鐵素體耐熱鋼的微觀組織、蠕變性能和氧化行為的影響是非常必要的?；谏鲜鰡?wèn)題,我們做了如下研究工作。
　　 首先,通過(guò)真空冶煉爐冶煉了六種高鉻(12％)鐵素體試驗(yàn)鋼來(lái)研

3、究V,Nb,Mn,Ni,Cu,Co對(duì)鐵素體鋼微觀組織和蠕變特性的影響。這六種試驗(yàn)鋼分別為基礎(chǔ)鋼(1＃鋼),在1＃鋼基礎(chǔ)上添加微量元素0.2%V和0.05%Nb的鋼(2＃鋼)以及在2＃鋼基礎(chǔ)上,添加合金元素1%Hi的3＃鋼、3%Cu的4＃鋼、3%CO的5＃鋼和2.5%Mn的6＃鋼。1＃鋼和2＃鋼內(nèi)由回火馬氏體和δ-鐵素體兩相組成:Ni,Cu,Co,Ma的添加有效地抑制δ-鐵素體相的形成;Mn擴(kuò)大γ-相區(qū),提高淬透性,使6＃鋼內(nèi)部原奧氏體晶

4、粒變大和馬氏體板條更加寬化。常溫拉伸實(shí)驗(yàn)揭示了1＃鋼的強(qiáng)度最低、塑性最好;6＃鋼的強(qiáng)度最高、塑性最差;其它四種鋼適中。與常溫拉伸性能明顯不同,在650℃和140 Mpa下,六種試驗(yàn)鋼的蠕變特性發(fā)生明顯變化:1＃鋼蠕變特性最差,僅僅維持了21h就發(fā)生了蠕變斷裂:2＃鋼蠕變時(shí)間提高1200 h;與2＃鋼比較,添加Cu的4＃鋼和添加Co的5＃鋼蠕變抗力明顯提高,它們?nèi)渥儠r(shí)間分別為1580 h和1680 h;而添加Ni的3＃鋼和添加Mn的6＃鋼

5、的蠕變抗力反而下降,它們?nèi)渥儠r(shí)間分別為1080 h和500 h。2＃鋼蠕變特性提高在于微量合金元素和VNb的加入形成了尺寸為30-50 nm MX型析出相對(duì)位錯(cuò)和界面有效釘扎作用。3＃和6＃鋼蠕變特性下降在于過(guò)量Ni和Mn的引入降低了奧氏體化A1轉(zhuǎn)變溫度,這勢(shì)必導(dǎo)致在高溫下原有馬氏體組織不穩(wěn)定,容易向奧氏體轉(zhuǎn)變,從而發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶。3%Cu的加入提高鐵素體鋼固溶強(qiáng)化,同時(shí)部分Cu在基體內(nèi)形成了納米級(jí)別(尺寸約為100 nm)的彌散富Cu

6、析出相,這有效地抑制了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)、提高了組織的穩(wěn)定性,因此與2＃鋼相比,4＃鋼蠕變性能顯著提高。5＃鋼蠕變特性提高在于Co的固溶強(qiáng)化作用?；谀壳霸囼?yàn)結(jié)果,合金元素Cu和Co是兩種有效的鐵素體耐熱鋼強(qiáng)化元素。
　　 其次,在12%Cr基體鋼內(nèi),通過(guò)添加0.2%V和0.05%Nb強(qiáng)碳氮化物形成元素,和添加0.5%Cu和2%Co,以及降低Mn含量到0.5%和不添加Ni試制一種新型高鉻(12%Cr)鐵素體耐熱鋼。在650℃和三種不同加載

7、應(yīng)力(110MPa,120MPa,130 Mpa)進(jìn)行蠕變實(shí)驗(yàn),研究這種新型高鉻鐵素體鋼的蠕變特性,并結(jié)合OM,SEM和TEM等分析設(shè)備研究了微觀組織的轉(zhuǎn)變過(guò)程和鋼中元素的偏聚現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)果表明,在類(lèi)似加載應(yīng)力下,這種新試制的鐵素體耐熱鋼蠕變抗力優(yōu)于商業(yè)上運(yùn)行的成熟的T91,T92和T122。隨著蠕變進(jìn)行,試驗(yàn)鋼組織發(fā)生回復(fù)、亞晶結(jié)構(gòu)逐漸形成:鋼中Fe,Cr,W,Mo,V,Nb,Cu發(fā)生一定的偏聚現(xiàn)象,這可能導(dǎo)致M23C6型析出相的粗化

8、和Fe2(W,Mo)和Z相(Cr(V,Nb)N)兩種金屬間化合物新相形成;絕大多數(shù)微米級(jí)蠕變空洞形成于三叉晶界和夾雜處。基于上述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,在今后開(kāi)發(fā)新型鐵素體耐熱鋼時(shí),應(yīng)該進(jìn)一步穩(wěn)定組織,延緩新出相的粗化,以及在煉鋼時(shí)盡量減少不必要的雜質(zhì)存在。
　　 另外,基于上述新試制鐵素體鋼,通過(guò)OM,SEM,XPS,ASE和XRD等分析手段,研究了在不同蠕變階段(100h1000 h和4000 h)下鐵素體鋼表面氧化膜組織結(jié)構(gòu)的進(jìn)化過(guò)程

9、。結(jié)果表明,隨著蠕變的進(jìn)行,氧化膜結(jié)構(gòu)和組成發(fā)生明顯改變。當(dāng)蠕變持續(xù)到100 h時(shí),在鐵素體鋼表面形成的氧化膜比較密實(shí),主要以尖晶石型的Mn1.5Cr1.5O4、赤鐵礦型的(Fe0.6Cr0.4)2O3、Mn3O4氧化物和SiO2復(fù)合氧化物組成,同時(shí)混有少量的CrN、單質(zhì)Cr和Mn等元素。在蠕變1000 h時(shí),氧化膜由以含有Fe,Cr,Mn,Si的復(fù)合氧化物的內(nèi)層氧化膜和由Fe2O3和Fe3O4構(gòu)成的外層氧化膜組成的雙層結(jié)構(gòu)氧化膜,其中