620～650℃锅炉过热器/再热器用新型奥氏体耐热钢SP2215的研发

介绍TP347H、Super304H、HR3C超超临界电站锅炉材料的时效析出强化机理,并在此基础上研发出620~650℃锅炉过热器/再热器用新型奥氏体耐热钢SP2215。分析认为:以22Cr-15Ni为基的Fe-Cr-Ni新型奥氏体耐热钢SP2215,通过加入一定量的Cu、Nb、N,在基体中形成多相复合强化,并在晶界形成M_(23)C_6碳化物强化。SP2215具有高的持久强度(650℃,10~5 h∧130 MPa;700℃,10~5 h∧80 MPa)和良好的抗腐蚀/氧化性能。     

650 ℃时效SP2215奥氏体耐热钢管的微观组织和力学性能

通过OM、SEM、TEM和显微硬度、室温冲击以及高温拉伸试验,研究了650 ℃时效不同时间后SP2215奥氏体耐热钢管的微观组织、力学性能及断裂机理。结果表明,固溶态SP2215钢微观组织由奥氏体,少量孪晶及未溶NbN和Z相组成;650 ℃时效时Cr23C6优先在奥氏体晶界析出,且随时效时间延长逐渐增多、粗化并形成连续网状;球形富Cu相在奥氏体晶内析出且尺寸稳定,时效2012 h约为15 nm;SP2215钢晶内室温显微硬度在时效50 h时基本达到最大值,之后趋于稳定,这与稳定富Cu相的析出强化作用有关;SP2215钢具有明显的高温时效脆化倾向,时效2012 h室温冲击吸收功较固溶态降低约78.5%,室温冲击断裂随时效时间延长由韧性断裂向沿晶脆性断裂转变,这是由Cr23C6在奥氏体晶界析出并逐渐聚集、粗化导致的。SP2215钢在650 ℃,2.5×10-4 s-1应变速率下拉伸时出现锯齿流变（Portevin-Le Chatelier, PLC）现象,锯齿类型为Type(A+B),随时效时间延长PLC逐渐“减弱”,但锯齿类型不变;随时效时间延长SP2215钢高温拉伸屈服强度基本保持稳定,抗拉强度和断面收缩率逐渐降低,高温拉伸断裂由韧性断裂向准解理脆性断裂转变。     

高温时效对超超临界锅炉用HR3C钢接头微观结构及力学性能的影响

利用高温蠕变持久试验机,对超超临界(USC)机组锅炉用HR3C钢接头设计进行650℃,54.6 MPa.1000 h 的高温加载时效试验,对比分析了未时效与时效的 HR3C 钢接头微观结构和力学性能特征,结果表明,HR3C 钢接头母材区和焊缝区高温加载时效后脆化显著,焊缝区冲击韧性仅剩20kj/cm2,断裂几乎呈完全脆...     

应力松弛方法研究2种HR3C耐热钢的高温蠕变行为

采用应力松弛方法研究了2种不同晶粒大小HR3C耐热钢的初始态试样和时效态试样的高温蠕变变形行为,并分析了其微观组织特点.结果表明,尽管2种HR3C耐热钢的化学成分相近,但其蠕变行为有明显差异.相同条件下,晶粒较粗的HR3C耐热钢初始态与时效态的蠕变速率均低于晶粒较细的HR3C耐热钢,具有较高的蠕变抗力.2种HR3C耐热钢经过高温时效处理后,蠕变抗力均明显降低.晶粒较细小的HR3C钢在高温时效后其应力指数(n)与蠕变表观激活能(Q)的降低幅度更加显著,表明晶粒较细的HR3C耐热钢的蠕变抗力的稳定性低于晶粒较粗的HR3C耐热钢.     

650℃时效HR3C耐热钢的显微组织与高温拉伸性能

针对650℃直到3000 h时效的HR3C钢,研究其显微组织的变化及对其高温拉伸力学性能的影响,探讨650℃时效HR3C钢的高温拉伸断裂机制。结果表明:高温时效过程中,晶界强化、晶内弥散强化和奥氏体基体脱溶弱化等效应导致时效HR3C钢的高温拉伸力学性能发生明显变化。时效初期(500 h)HR3C钢高温强度变化不大;时效中期(500~1000 h)HR3C钢高温强度大幅提高,但塑性持续降低;时效后期(1000 h),HR3C钢组织结构渐趋稳定,其强度和塑性变化不大。随时效时间延长,HR3C钢高温拉伸断裂机制由正断向剪切断转变。     

HR3C耐热钢在高温蠕变过程中微观组织演变分析

利用OM、XRD、EDS和TEM对高温蠕变试验后的HR3C耐热钢试样的微观组织、析出相和裂纹进行了研究。结果表明:HR3C奥氏体耐热钢原始奥氏体组织中分布有细小、弥散的CrNbN第二相;在700℃高温蠕变试验中,随着试验时间的延长,HR3C耐热钢中将不断从奥氏体晶界析出大量的(Fe,Cr)_(23)C_6相;当应力大于110 MPa时,应力大小是影响高温蠕变试验中试样断裂的主要因素,断裂方式属于穿晶断裂,而应力小于110 MPa时,引起HR3C断裂的主要因素是沿晶析出的(Fe,Cr)_(23)C_6析出相,断口属于沿晶断裂;当表面具有较多数量大尺寸晶粒与小尺寸晶粒配合时,有利于抑制裂纹的萌生和扩展,提高HR3C耐热钢的高温蠕变寿命。     

700 ℃下Nb对HR3C奥氏体耐热钢蒸汽氧化行为的影响

目的 研究Nb含量对奥氏体耐热钢在水蒸气高温环境下氧化行为的影响。方法 选取两种不同成分的HR3C奥氏体耐热钢,在700℃、25 MPa纯水蒸气环境中进行氧化实验,实验周期为1000 h。采用扫描电子显微镜、X射线衍射仪以及光学显微镜,比较两种合金的高温氧化动力学结果,并对氧化物的微观形貌和成分以及合金的组织形貌进行观察和分析,探究Nb对HR3C奥氏体耐热钢蒸汽氧化的影响机制。结果 Nb的含量对HR3C奥氏体耐热钢的蒸汽氧化性能产生了显著的影响,HR3C-0#合金的氧化质量增量为0.7746 mg/cm²,显微硬度为258.9HV,HR3C-1#合金的氧化质量增量为1.716 19 mg/cm²,显微硬度为201.4HV,并且两种合金在蒸汽氧化过程中均出现了晶粒细化。结论 当Nb的含量在相对较低范围时,HR3C奥氏体耐热钢表现出良好的抗蒸汽氧化性能及较高的硬度;当合金中Nb的含量过高时,会恶化合金的抗蒸汽氧化性能以及显微硬度,样品表面生成了大量非保护性的岛状Fe2O3,并且伴随着组织结构发生晶粒细化的现象。     

高温时效HR3C和T92耐热钢的老化行为及寿命预测

HR3C及T92两种典型超(超)临界机组耐热钢分别在650~700℃进行高温时效,研究时效过程中显微组织结构和硬度的变化规律,建立硬度与Larson-Miller参数(P函数)间关系数学模型。结果表明,两种耐热钢的硬度均随时效温度升高显著降低;温度不变,随着时效时间的延长,HR3C耐热钢的硬度先增加后减小,而T92钢硬度单调下降,最后都趋于稳定。孪晶界消失以及晶界与晶内析出相的析出、长大是导致时效过程中两种耐热钢硬度变化的主要原因。采用线性拟合的方法,得到了时效耐热钢硬度与其P函数关系模型。基于相同P函数,计算所得时效钢硬度与测量的硬度吻合,该模型可用于服役耐热钢管服役寿命预测。     

文摘

980519金相组织长时间稳定的高强度铁素体耐热钢设计指南（650℃级USC锅炉用铁素体耐热钢的研究开发-1）［刊，日」／阿部富士雄…/材料-1997，10（6）为提供650℃，350大气压超超临界压发电设备（USC）主蒸汽管用大直径厚壁铜管，日本金材技研构造材料中心进行了开发高Cr铁素体耐热钢的研究。该中心把材料的长时间蠕变断裂强度、抗氧化特性等的研究结果作为设计耐热钢的指南。设计成分时，既要考虑高温强度又要重视抗氧化性能。采用高Cr高St虽然有效，但要防止因生成δ铁素体和粗大碳化物而使材料的蠕变强度降低。设计将Cr含量分为Cr…     

锅炉用钢的焊接与热腐蚀性能试验研究

在腐蚀介质为Na Cl∶Na_2SO_4=1∶2、热腐蚀温度为650℃条件下,对锅炉用Super304H、TP347H和HR3C不锈钢焊接接头进行了模拟锅炉实际工作环境的热腐蚀试验,研究了腐蚀温度和时间等对焊接接头不同区域抗热腐蚀性能的影响,并对腐蚀形貌和腐蚀产物进行了分析。结果表明,对比3种锅炉用钢焊接热影响区的热腐蚀增重率可见,TP347H锅炉钢热影响区的热腐蚀增重率最小,其次为Super304H锅炉钢,而HR3C锅炉钢热影响的耐热腐蚀性能最差;Super304H焊接接头、TP347H焊接接头和HR3C焊接接头的腐蚀区域宽度分别为48、38和88μm,腐蚀区形态疏松且存在明显腐蚀孔洞。     

超超临界锅炉用新型奥氏体耐热钢HR3C的高温时效脆化研究

通过冲击性能试验、光镜、透射电镜和扫描电镜等方法对超超临界机组用新型奥氏体耐热钢HR3C经650℃时效不同时间后的冲击韧度和显微组织变化进行了研究。结果表明,HR3C钢在650℃时效过程中具有较明显的时效脆化倾向,时效500 h后冲击韧度由时效前的351.7 J/cm2降低到40 J/cm2以下,而后随着时效时间的延长(直至6000 h),冲击韧度基本稳定在20～25 J/cm2;HR3C钢长时时效后的断裂形式主要是以沿晶断裂为主的脆性断裂;时效初期HR3C钢冲击韧度降低的主要原因是由于沿晶析出较多网状M23C6和少量σ沉淀相造成的;时效后期,M23C6出现聚集、球化、长大,但由于σ相的析出量增加,使该钢时效6000 h后的冲击韧度仍保持在较低的水平。     

超超临界锅炉用奥氏体耐热钢HR3C的脆化机理

结合室温、高温冲击试验及700℃时效试验,利用光镜、扫描电镜、透射电镜、电子探针等手段对服役态及供货态典型奥氏体耐热钢HR3C的脆化机理进行了研究。结果表明,服役近4万小时后HR3C钢室温及650℃均出现了明显脆化现象,冲击韧性大幅度下降,700℃时效试验结果与此类似。组织分析表明,服役近4万小时的HR3C钢在晶界析出连续片状分布的M_(23)C_6相、沿晶界向晶内生长出针(条)状M_(23)C_6相、晶界周边析出纳米级立方状M_(23)C_6相及弥散Nb Cr N相,Cr、C,P、S 4种元素在晶界明显偏聚。在700℃时效不同时间后相关试验表明HR3C钢在冲击韧性快速下降阶段微观组织中碳化物在晶界已成连续片状分布,未见其余析出相,晶界仅有微量S元素偏聚。M_(23)C_6在晶界的连续片状析出是造成HR3C钢时效脆化的主要原因。     

高速火焰喷涂Fe-Al/Cr3C2复合涂层抗高温腐蚀性能研究

利用高速火焰喷涂方法,选用自主研发的Fe-Al/Cr3C2喷涂粉材,在20钢基体上制备Fe-Al/Cr3C2复合涂层。研究了复合涂层在650℃的抗高温腐蚀性能。采用SEM,XRD,EDS等先进测试手段分析了复合涂层的抗高温腐蚀机理。结果表明：Fe-Al/Cr3C2复合涂层在650℃的抗高温腐蚀性能明显优于基体20钢,并且优于Fe-Al涂层,其腐蚀动力学曲线呈抛物线变化;复合涂层经腐蚀后,内层生成的致密Al2O3及Cr2O3阻止了高温腐蚀的进一步深入。现场应用表明,Fe-Al/Cr3C2复合涂层具有广泛的应用前景。     

Al含量对Fe-22Cr-25Ni含铝奥氏体耐热钢高温抗氧化性能的影响

以HR3C合金成分为基础,通过调控Cr、Ni含量和添加1.5%,2.5%和3.5% (质量分数) 的Al制备了Fe-22Cr-25Ni型含铝奥氏体耐热钢,并研究了合金的高温抗氧化性能。利用SEM、EDS和XRD对含铝奥氏体钢700、800和900 ℃氧化后的氧化膜组成、结构进行了表征。结果表明：22Cr-25Ni-2.5Al和22Cr-25Ni-3.5Al含铝奥氏体耐热钢在700和800 ℃下具有优异的抗高温氧化性能。氧化后表层形成了连续致密的Al₂O₃保护膜,提高了其高温抗氧化性能。3种耐热钢经900 ℃氧化时形成外层为Cr₂O₃和MnCr₂O₄的复合氧化层,且氧化层下存在Al₂O₃内氧化物和AlN析出相,不能对基体起到有效保护作用。     

服役后HR3C钢高温持久组织的研究

通过高温持久试验、金相显微镜、扫描电镜及能谱仪、X-射线衍射仪,研究了服役5万小时后HR3C钢在650℃条件下的高温持久组织。结果表明,服役后HR3C钢的高温持久断口主要为沿晶断裂,断口区域处的组织已经处于严重脆化状态。服役后HR3C钢持久过程中的析出相主要有NbCrN、Nb(C,N)和M_(23)C_6。细小弥散分布的NbCrN和Nb(C,N)有利于提高高温强度,而沿晶呈链条状分布的M_(23)C_6可严重削弱HR3C钢的高温强度。     

火电机组过/再热器锅炉管内壁铝化物涂层研究(Ⅱ):蒸汽氧化、强度及组织演化

目的 分析表征锅炉管内壁铝化物涂层的综合性能。方法 通过动态高温蒸汽氧化实验、高温拉伸试验、高温持久试验和650 ℃/10 000 h热暴露实验,分别评价Super304H锅炉管内壁铝化物涂层的抗蒸汽氧化性能、高温强度、高温持久性能和涂层组织时效稳定性,并通过X射线仪、电子显微镜和能谱技术分析涂层结构与物相、氧化产物和断口特征。结果 采用料浆法可在Super304H锅炉管内壁制备厚度约40 μm的铝化物涂层,涂层以FeAl相为主,且与母材呈冶金结合。在650 ℃、1000 h饱和蒸汽氧化过程中,涂层表面生长极薄的α-Al2O3,氧化膜厚度小于1 μm,抗氧化能力优于表面喷丸Super304H及更高Cr含量的HR3C合金。在650 ℃高温,涂层Super304H合金的强度与断裂韧性与母材相当,持久寿命与母材持平,蠕变断裂位置未发生在涂层一侧。650 ℃长时热暴露过程中,涂层由FeAl相向Fe3Al相退化。结论 涂层制备过程未对合金母材组织有显著影响,铝化物涂层显著提高了Super304H合金650 ℃饱和蒸汽氧化性能,对合金的高温力学性能无显著影响。长时热暴露后,涂层与基体互扩散造成组织退化。     

高压锅炉管的发展及应用问题探讨

结合电站锅炉发展趋势,介绍高参数高压锅炉管的开发方向,以及近期有可能在锅炉上应用的新型耐热钢管材——G115、SAVE12AD、VM12-SHC、Sanicro25和SP2215;分析了工程实践中需要相关行业共同关注的典型高压锅炉管质量问题,包括大直径高压锅炉管表面局部软点和小直径高压锅炉管内壁线性缺陷、热轧高压锅炉管异型、管端折叠缺陷,以及奥氏体耐热钢管内壁氧化等。     

铝对马氏体抗磨耐热钢高温抗氧化性能的影响

通过650℃和800℃下的氧化增重测量、氧化动力学分析、氧化膜XRD分析和氧化膜表面EDS分析,研究了铝对马氏体抗磨耐热钢高温抗氧化性能的影响规律。结果表明:随着含铝量的增加,抗磨耐热钢的氧化增重不断减小。含铝量为1.97%时,试样在650℃下的平均氧化速率为0.009 5 g·m-2·h-1,在800℃下的平均氧化速率为0.028 5 g·m-2·h-1,氧化产物由Al2O3、Cr2O3、Fe(Cr Al)2O3和Fe(Cr Al)2O4组成。铝含量大于1.47%时,Al2O3氧化膜连续且致密,试样在650℃和800℃下均为完全抗氧化钢。     

HR3C钢焊缝金属高温持久应力下的组织转变

HR3C奥氏体耐热钢具有优良的高温性能,焊缝金属的高温持久性能是其能否获得广泛应用的关键。文中采用金相显微镜、扫描电镜及其EDS、相分析和XRD等分析方法,研究了HR3C钢焊缝及其在不同的高温持久参数下的组织转变。研究结果表明,焊态焊缝组织由奥氏体和析出相组成,析出相以铌相为主。经过高温持久拉伸后,析出相的种类、形态和数量都发生了变化。此外,焊缝组织的凝固晶界和凝固亚晶界也在高温持久应力下发生了变化。     

电站锅炉用HR3C钢管表面裂纹临界尺寸

以供货态和650℃(外管壁温度)服役18644 h的HR3C钢炉管为对象,采用实验及模型计算相结合的方法,获得HR3C钢管表面裂纹失稳扩展的临界尺寸,用于定量化评估服役HR3C钢管的可靠性。结果表明,供货态和服役态HR3C钢炉管室温及650℃时的K_IC值分别为16.06、2.38 MPa·m^1/2,以及7.92、1.21 MPa·m^1/2。基于K-判据法,推算出供货态及在蒸气压力为5.72 MPa、650℃下服役18644 h的规格为Ф60 mm×4 mm的HR3C钢管表面裂纹失稳扩展的临界尺寸分别为0.67、0.09 mm。最后,结合显微结构及断口分析,确定了服役态HR3C钢管临界裂纹尺寸减小及服役早期失效的原因。