超超临界机组用HR3C奥氏体耐热钢研究进展

HR3C凭借良好的高温力学性能和高温抗氧化性能,被广泛用于超超临界机组的过热器和再热器之中.为推进其工业化应用,提高机组的参数效率,迫切需要对HR3C耐热钢进行深入研究,特别是在长期服役过程中析出的第二相与性能的关系.本文综述了HR3C组织结构、析出相的演变,合金元素对析出相的影响,服役过程中的氧化行为、硬度、力学性能、持久强度、冲击韧性、耐腐蚀性、焊接性能和疲劳性能等的研究进展,分析了目前HR3C服役后冲击韧性大幅下降的原因,最后对进一步研究HR3C的关键问题进行了展望.     

Nb/Ti/Zr/W对310S奥氏体不锈钢析出相行为和力学性能的影响

为了提高310S不锈钢的高温组织稳定性,本工作系统研究了微量合金化元素(Nb, Ti, Zr和W)对310S析出相行为和力学性能的影响。设计的系列合金经过1423K热轧、1423K/0.5h固溶、1173K/0.5h稳定化处理,最后进行973K/408h时效处理。研究结果表明:W可有效提高合金的高温组织稳定性,而过量Mo元素的添加会加速Cr 23 C 6向σ转变;添加Ti和Zr可细化基体晶粒,但Ti会促使时效过程中大量脆性相的析出,严重降低合金的高温组织稳定性,从而恶化合金力学性能。Fe-25Cr-22Ni-0.73Mo-0.35Nb-0.046C (质量分数/%)合金展现出优异的高温组织稳定性和力学性能(σ YS =237MPa,σ UTS =545MPa,δ=39%),有望作为超临界水冷堆核燃料包壳的候选材料。     

V-N微合金化抗震钢筋铁素体中V(C,N)析出行为分析

采用回火硬度法研究了两种不同V,N含量的抗震钢筋回火等温过程组织及显微硬度变化规律,根据J-M-A(Johnson-Mehl-Avrami)理论定量计算了V(C,N)在铁素体中的析出热动力学,并与实验所测PTT(析出-温度-时间)曲线进行对比。透射电镜下观察了V(C,N)沉淀析出规律。结果表明,由于大量弥散的第二相颗粒的作用,V-N微合金化钢筋(0.04V-0.0135N)的回火组织比V微合金化钢筋(0.076V-0.0055N)更加均匀细小。回火硬度法测得两种材料的PTT曲线与计算所得吻合,V微合金化钢筋呈"C"型且在670℃左右的鼻温区析出动力学加快,V-N微合金化钢筋是一单调曲线,这主要考虑N含量的影响。本次实验同时观察到纤维状碳化物,V(C,N)在过饱和铁素体中相间析出以及位错线析出,并就其形成机制进行讨论。     

700℃(A-USC)锅炉材料617B镍基高温合金热变形及持久行为

采用Gleeble热压缩、SEM及持久实验方法对617B合金的变形特性、组织演变行为以及析出相进行研究。结果表明:617B合金具有较高的变形抗力,其适宜挤压加工安全温度区间在1165~1200℃;合金失稳存在两种形式:一种为形成绝热剪切带,另一种为完全动态再结晶晶粒的异常生长;显微硬度随持久时间的延长先迅速提高而后趋于平稳,析出物以γ′为主,随着时间的延长析出物有所长大,但无有害相析出,具有较高的持久性能。     

超低碳铸造高合金不锈钢析出相及腐蚀行为的研究

采用金相显微镜、Ｘ射线衍射、透射电镜、电子探针显微分析等手段和多种腐蚀试验方法研究了铸造高合金不锈钢的析出相种类、结构、形貌、分布、成分及其腐蚀行为。试验结果表明,该钢经１１５０℃×２ｈ水冷固溶处理后可得到单一的奥氏体组织,并具有优良的耐均匀腐蚀、晶间腐蚀、点蚀和电化学腐蚀性能。     

高效超超临界机组用材HR3C和HR6W的热腐蚀行为及机理研究

为对比熔盐环境下典型耐热钢HR3C和铁镍基合金HR6W的热腐蚀行为及机理,在高温腐蚀试验系统上开展了750℃和810℃条件下1 000 h的熔盐腐蚀试验,利用扫描电镜、X射线衍射仪及能谱分析仪等表征了腐蚀产物成分与分布。结果表明:HR6W的腐蚀增重和腐蚀产物厚度均低于HR3C的;试验早期耐热材料的腐蚀主要受离子扩散控制,后期保护膜失效材料主要以失稳腐蚀为主。材料表面腐蚀产物主要为块状尖晶石结构和瘤状团聚物。产物主要为(Fe,Cr)₂O₃和Fe₂O₃,并有少量(Ni,Mn) Cr₂O₄。温度对于腐蚀过程的影响主要体现在提高反应离子活性与扩散速率,加速腐蚀的快速进行生成对应的腐蚀产物。模拟熔盐以熔融态盐膜形式沉积在耐热材料表面发生热腐蚀行为,且腐蚀层疏松多孔、层次分明,呈复合结构,即腐蚀外层为富Fe氧化物,腐蚀内层为富Cr氧化物,基体内侧出现明显内硫化区域。铁镍基合金HR6W的抗腐蚀性能优于耐热钢HR3C。     

γ′相对高钨镍基高温合金拉伸和持久变形行为的影响

对K416B高钨高温合金进行固溶和时效处理以调整其中γ?相的形貌使其具有两种尺寸,研究了铸态和热处理态合金的拉伸和持久变形行为。结果表明,铸态K416B合金中的γ?相在基体中分布均匀,其平均尺寸为200 nm,能有效阻碍位错在基体中运动从而使其屈服强度提高。在热处理态的K416B合金中析出了两种γ?相,其尺寸分别为1μm和100 nm。在热处理态K416B合金的室温拉伸过程中全位错剪切大尺寸初生γ?相和以Orowan机制绕过小尺寸二次γ?,使其屈服强度降低。在高温下二次γ?相更容易粗化而使γ基体的宽度增大,促进位错剪切γ?相而使持久应变速率提高。同时,在持久变形过程中纳米级W6C颗粒在γ-γ?相界面弥散析出消耗大量W元素降低γ-γ?两相的错配度,使合金的强化水平下降而导致其持久寿命大幅度降低。     

Fe_(63)Ni_1Al_5Ga_2P_(9.65)B_(4.6)Si_3C_(6.75)Co_5非晶合金的晶化行为研究

采用XRD、DSC检测技术,采用连续升温晶化和等温退火晶化方法,研究分析了Fe63Ni1Al5-Ga2P9.65B4.6Si3C6.75Co5非晶薄带的晶化动力学行为和晶化过程中晶化相的析出过程。结果表明,该非晶合金的玻璃转变和晶化行为均具有显著的动力学特征。Kissinger法计算得到的Eg、Ex、Ep1、Ep2分别为750、340、432、689kJ/mol,Eg Ex,表明合金具有较好的热稳定性。合金晶化过程为:非晶→非晶+α-Fe→非晶+α-Fe+Fe2P+Fe3P→α-Fe+Fe2P+Fe3P+Fe3C(Al,Si)+Fe5PB2+SiC。合金的晶化类型为初晶型和随后的共晶型反应。     

700 ℃超超临界锅炉材料GH4700镍基合金Al2O3+TiN复合析出行为研究

运用金相、扫描、热力学与动力学计算的方法,对真空感应冶炼GH4700镍基高温合金中Al2O3+TiN复合析出行为进行研究,结果表明:Ti、N、O的偏析因子对冷速不敏感;合金中以Al2O3+TiN复合夹杂为主;纯TiN只能在固相分数大于95%的两相区开始生成,尺寸约为4.5～5μm,与实际观察的尺寸基本吻合,而对于Al2O3+TiN复合夹杂物,尺寸及分布范围较纯TiN析出物要宽.     

气膜孔分布对DD6单晶高温合金持久性能及断裂行为的影响

研究在980℃/300MPa条件下不同气膜孔分布对DD6单晶气冷叶片模拟试样持久性能及断裂行为的影响。结果表明:在相同的温度和应力条件下,气膜孔的分布是影响模拟试样持久寿命的主要因素;随着气膜孔排数的增加,持久寿命呈规律性下降,而带1排孔、2排孔试样的持久寿命与不带孔的持久寿命略长。通过断口微观和金相组织观察发现,不带孔试样的断裂方式为微孔聚集型断裂,断口上分布着大量方形小平面特征,断口附近纵剖面上可见明显的心部裂纹;而带气膜孔试样的持久变形主要出现在气膜孔区域,断口整体氧化较严重,方形小平面特征减少,韧窝特征明显增加,断口附近纵剖面上气膜孔处均可见裂纹及氧化形貌。基于晶体塑性理论分析了不同孔分布下孔边应力的分布规律,模拟结果显示在气膜孔周边存在应力集中和应力重分布,数值模拟分析结果与试样的断裂位置及形貌吻合。     

晶粒细化剂对K403合金返回料微观组织及持久性能的影响

目的 探索不同浇注温度下晶粒细化剂添加的有无对K403合金返回料微观组织及持久性能的影响,并建立合金的浇注工艺与微观组织和持久性能的关系.方法 通过调整浇注温度及晶粒细化剂的有无制备了8组合金,并进行了微观组织表征与高温持久性能测试.结果 晶粒细化剂的加入对K403合金的晶粒组织有细化作用,在较高浇注温度下的细化作用更...     

C和B的含量对K417G镍基高温合金的凝固行为和高温持久性能的影响

对不同C、B含量的K417G合金进行DTA分析、等温淬火实验和950℃/235 MPa持久性能测试,并观察其组织形貌,研究了C、B含量对K417G镍基高温合金的凝固行为和高温持久性能的影响.结果 表明,在合金的凝固期间C含量影响碳化物的析出温度和初生碳化物的含量,且随着C含量的提高而提高;共晶组织的析出温度主要受B元素...     

Precipitation behavior of high-Nb containing modified HR3C heat-resistant steels during isothermal aging

The effect of Cr content on microstructural stability of the modified high-Nb content HR3C austenitic heat-resistant steel has been investigated during thermal aging at 700°C. It was observed that the σ phase precipitated in the 23.5Cr–18Ni–1.7Nb–0.04C–0.1N (wt.%) steel after aging treatment. However, the σ phase was not observed throughout the aging up to 5000?h as the Cr content was reduced from 23.5 to 21.5?wt-%. Experimental results showed that the yield strength of steel with 23.5?wt-% Cr at room temperature increased from 261 to 492?MPa after aging for 5000?h. The strengthening is closely related to the precipitation of σ phase at early stage of aging (500–2000?h). The influence of alloying elements on the formation of σ phase is discussed.     

发展高稳定性718合金的热力学模拟计算

利用Thermo-Calc热力学计算软件和与之相应的镍基高温合会数据库,计算了碳、铝、钛、铌和钨成分改变时对718合金中平衡相的析出规律影响,并预测了平衡相的化学成分,以期为发展高稳定性718合金提供理论依据.     

Tensile Stress Rupture Behavior of a Woven Ceramic Matrix Composite in Humid Environments at Intermediate Temperature — Part I

The stress rupture strength of the SYL-iBN/BN/SiC composite was evaluated at 550 and 750 °C with moisture content levels of 0.0, 0.2, and 0.6 atm partial pressure of water vapor, pH₂O. The stress rupture strengths decreased with respect to time with the rate of decrease related to the temperature and the amount of moisture content. In all cases the degradation was more severe initially and then approached a run-out threshold level. The thresholds were reached at approximately 100+, 60, 80 h for the 550 °C with 0.0, 0.2, and 0.6 pH₂O, respectively. The thresholds were reached at approximately 40, 20, and 10 h for the 750 °C cases. The interpolated stress rupture strengths at 100 h for 0.0, 0.2, and 0.6 pH₂O at 550 °C were 82%, 68%, and 51% of the room temperature monotonic tensile strength. At 750 °C these strengths were 67%, 51%, and 50%. Analysis of Field Emission Scanning Electron Microscopy images showed evidence of embrittlement of the fiber/matrix interphase. Little to no embrittlement was observed at both temperatures with 0.0 pH₂O. At both 550 and 750 °C with 0.2 and 0.6 pH₂O, evidence of embrittlement increased with temperature and test duration with the most extensive embrittlement observed at 750 °C with 0.6 pH₂O.     

含Cu取向硅钢中第二相粒子析出演变行为研究

使用场发射扫描电子显微镜(SEM)观察CGO硅钢制备过程中第二相粒子的析出行为及分布状态,统计粒子的平均尺寸、面密度及Zener因子。结果表明:试样中主要存在两种析出物,一种是(Cu,Mn)S复合析出物,尺寸为1μm左右,称为A类析出物,另一种是Cu_2S析出物,尺寸为10~30nm,称为B类析出物,Cu_2S起主要抑制作用。第二相粒子在热轧阶段大量弥散析出,平均粒子尺寸最小,面密度最高,高温退火前的加工阶段,粒子的平均尺寸不断增加,面密度逐渐降低;高温退火过程中,随着析出物体积分数的降低,其抑制能力呈下降趋势,960℃时析出物发生明显的聚集现象,当Zener因子A低于临界值0.19nm~(-1)时,二次再结晶发生,残留的粒子不会产生有效的抑制作用。     

热处理工艺对SRR99镍基单晶高温合金组织和性能的影响

研究不同固溶处理温度和时效处理温度对SRR99镍基单晶高温合金的微观组织和持久性能的影响。利用扫描电镜和光学金相显微镜对显微组织进行表征和分析,利用GWT304常载拉伸蠕变试验机测试其持久性能。结果表明:随着一次时效温度的提高,二次γ′相尺寸逐渐增大,γ′相体积分数先增加后降低;随着固溶温度的提高,合金中残余共晶含量减少,偏析逐渐降低,在1050℃/150MPa条件下,合金的持久寿命呈现先增加后降低的趋势。     

Assessment of creep rupture properties for dissimilar steels welded joints between T92 and HR3C

Dissimilar steels welded joints, between ferritic steel and austenitic stainless steel, are always encountered in high‐temperature components in power plants. As two new grade ferritic steel and austenitic stainless steel, T92 (9Cr0.5Mo2WVNb) and HR3C (TP310HCbN), exhibit superior heat strength at elevated temperatures and are increasingly applied in ultra‐supercritical (USC) plants around the world, a complete assessment of the properties for T92/HR3C dissimilar steels welded joints is urgently required. In this paper, metallographic microstructures across the joint were inspected by optical microscope. Particularly, the creep rupture test was conducted on joints under different load stresses at 625 °C to analyse creep strength and predict their service lives, while their fractograph were observed under scanning electron microscope. Additionally, finite element method was employed to investigate residual stress distribution of joints. Results showed that the joints were qualified under USC conditions, and T92 base material was commonly the weakest part of them.     

Re及时效时间对耐腐蚀镍基定向合金组织和持久寿命的影响

优化设计了三种含Re分别为0％,2％,3％(质量分数)的耐腐蚀定向镍基高温合金,分析了三种合金在900℃高温时效过程中组织的变化,测试了三种合金在不同时效时间980℃/200MPa下的持久寿命.结果表明:随着Re含量和时效时间的增加,合金析出σ相的倾向增大,合金高温持久性能下降;Re明显细化持久性能试样的筏排结构,随着Re含量的增加,合金性能下降的幅度变小.