奧氏體系耐熱鋼熱處理的研究動向
時間：2019-06-13
作者：無錫不銹鋼板
瀏覽：0
為減少CO2的排放量，對A-USC設備進行廣泛的研究開發。23Cr-45Ni-7W合金（ASTM UNS N06674）是一種通過強化Laves相析出來提高蠕變強度的材料，它是A-USC設備中的高溫蒸汽配管和鍋爐管的替補材料。鍋爐管在施工時有時要進行冷彎曲，因此要弄清在加工時的特性變化。有研究報告就冷加工對該合金的蠕變強度特性的影響進行了評價。
對耐熱強度比以往的耐熱鋼好的Ni基超合金在700℃級A-USC汽輪機的透平葉輪的應用進行了研究。作為A-USC透平葉輪用Ni基合金，開發了Ni-0.05C-18Cr-13Co-9Mo-1.3Al-1.4Ti-0.1Ta-0.3Nb合金，該合金以鉻鎳鐵耐熱合金617（ASTM UNS N06617）為基礎材料，對合金成分進行了調整改進。有研究報告就熱處理條件對該合金的機械性能的影響進行了研究。
作為可應用于蒸汽溫度達700℃級的超超臨界壓力（A-USC）發電機組的葉輪箱和噴嘴箱等的鑄造部件的Ni基合金材料，有研究報告就Al和Ti添加量對Ni-0.07C-13Cr-9Mo-19Cr-0.1Ta-0.3Nb-Al-Ti合金機械性能的影響進行了評價。該合金在以ASTM UNS N06617（相當于合金617）為基礎的材料中復合添加了Ta和Nb。
有研究報告研究了析出強化型鍛造Ni基超合金Ni-19Cr-12Co-6Mo-2Al-3Ti-1W-0.05C-0.005B合金在700℃級A-USC汽輪機用旋轉部件應用的情況。結果可知，作為金屬互化物的相在噴管溫度850℃時會以針狀析出。因此，對時效材進行了低循環疲勞試驗和抗拉試驗，研究了相對機械性能的影響。
為使Fe-18.4Cr-31.0Ni-3.3Nb合金能應用于蒸汽溫度達700℃級的A-USC機組，提出了新的Fe-18.4Cr-31.0Ni-3.3Nb合金（mass%），它以含有Nb的金屬互化物作為強化相。該合金的晶界幾乎被作為TCP相的Laves相所覆蓋，且由于晶粒內有GCP相的Ni3Nb相的析出，因此具有良好的高溫強度。為提高耐熱材料的耐蝕性，必須添加Cr，但關于該合金的Cr添加量與組織的關系尚不明確。因此，有研究者以18Cr添加材為基礎，對Cr添加量的增減量在1623mass%時的組織變化和蠕變特性的關系進行介紹。
為提高火力發電設備的發電效率，因此積極推進了700℃超級超超臨界壓（A-USC）發電設備的開發。在這些開發項目中（有歐洲的Thermie700和美國的DOE-Vision21等），作為可在嚴酷環境下使用的鍋爐設備的標準替代材料之一是合金617（JIS-NW6617）。因此，有研究報告對NW6617的高溫抗拉特性和各種波形的低循環疲勞特性進行了評價，并結合斷面觀察，弄清了詳細的高溫強度特性，同時對蠕變疲勞壽命的損傷進行了評價。尤其是，通過奧氏體系耐熱鋼和高鉻鐵素體系耐熱鋼等的比較，弄清了NW6617高溫特性的特征。
Fe-Ni合金HR6W（Fe-23Cr-45Ni-5/7W-Ti,Nb）是A-USC鍋爐用配管的替代材料。眾所周知，鍋爐配管一般是大口徑管，焊接時在焊接熱影響區會發生殘余應力。作為降低這種殘余應力的方法有SR（應力消除）處理法，但它對HR6W的處理條件尚不明確。因此，為確認SR處理條件，對SR處理后的顯微組織變化、焊接后的材質和母材進行了應力松馳試驗。其后，有研究報告對HR6W經SR處理后的蠕變斷裂強度進行了調查。
為開發新一代高效700℃級A-USC設備，至今已開發了各種各樣的合金。尤其是，最近以含有Nb的金屬間互化物作為強化相的新型Fe-18.4Cr-31.0Ni-3.3Nb合金（mass%）的研究也正在積極進行之中。有研究者對這種合金在Cr添加量變化時的組織變化和蠕變特性進行了調查，發現當Cr添加量達到23mass%時，蠕變強度會大大下降。因此，為使晶內強化相更加細化穩定，選擇了Zr作為添加元素，并研究了Zr的添加對Cr合金的組織變化和蠕變特性變化的影響。
為開發700℃級A-USC發電設備，對以兩個金屬間互化物（TCP相和GCP相）作為強化相的新型奧氏體系耐熱鋼Fe-20Cr-30Ni-2Nb（at.%）進行了設計。該鋼可以滿足A-USC鍋爐管所要求的特性（700℃、105h蠕變斷裂強度100MPa以上），這是因為Fe2Nb-Laves相（TCP相）可以強化晶間析出所致。因此，為弄清這種強化機理在800℃級發電設備（FA-USC）的應用，有研究報告對只有Laves相析出的1073K蠕變特性進行了調查，主要著眼于晶界Laves相來研究它與組織的關系。
因晶界TCP-Fe2NbLaves相和晶內GCP-Ni3Nb相而受到強化的Fe-20Cr-30Ni-2Nb（at.%）的蠕變強度遠遠高于現有鋼種。該鋼基本滿足了700℃級A-USC發電設備的目標值（700℃、100MPa、105h）。而且，對可用于更高蒸汽溫度800℃的耐熱鋼進行了設計。在鍋爐管內800℃的水蒸汽環境下為維持材料的蠕變強度，材料的抗氧化特性也是很重要的。因此，有研究報告對該鋼在模擬實際發電設備鍋爐管在水蒸汽氣氛條件下的蠕變行為進行了調查，并與在大氣中的試驗結果進行了比較。
作為可用于700℃級A-USC發電機組鍋爐管的新型耐熱鋼，提出了Fe-20Cr-30Ni-2Nb鋼，實際使用表明該鋼通過使TCP相（Fe2Nb-）向晶界析出和使GCP相（Ni3Nb-）向晶內析出而具有良好的蠕變特性。它為可承受蒸汽溫度達800℃的超耐熱鋼的開發提供了幫助。如果構成兩種化合物的過渡金屬元素M是不同的，那么通過獨立控制晶界（Fe2M1）和晶內（Ni3M2）的組織，就可以進一步提高強度。因此，從-Fe/TCP相間的相平衡的觀點來看，有研究報告指出可以在固定Nb后選擇過渡金屬元素M作為Fe-Ni-Nb-M4元系金屬，并對/TCP/GCP相間的相平衡和Nb及M在各相的分配進行了研究。