（材料学专业论文）变形和冷却速度对t91耐热钢组织形成的影响.pdf

摘要 t 9 1 ( 9 c r - l m o v - n b - n ) 铁素体耐热钢作为一种成熟钢种已有十余年的生 产和使用历史。因缺乏对其组织形成过程的基本认识，目前我国超临界机组的 关键部件( 如高压锅炉管等) 仍然依赖进口。为获取该钢组织形成过程的基本 规律，本文通过对完全奥氏体化后的t 9 1 铁素体耐热钢在冷却过程中的相变规 律的研究，得出了冷却速度、奥氏体区微小应力和非再结晶区大变形对相变过 程的影响。在实验研究与理论分析的基础上，得到了下面结论： t 9 1 铁素体耐热钢完全奥氏体化后，分别降温到6 5 0 时加载2 0 0 m p a 应力 和7 5 0 时加载2 0 0 m p a 应力，随后冷却到室温，在外加应力相同的情况下，随 着变形温度的下降，t 9 1 铁素体耐热钢由奥氏体向马氏体转变的开始转变温度 上升，产物组织细化；t 9 1 铁素体耐热钢完全奥氏体化后，降温到7 5 0 时分别 加载1 0 0 m p a 、1 5 0 m p a 和2 0 0 m p a 的应力，随后冷却到室温，在相同温度下， 随着外加微小应力的增大，转变生成的马氏体板条位向逐渐混乱，晶粒呈细化 趋势，晶界形态不规则。 试样先加热至奥氏体区，然后冷却到7 5 0 ，分别以5 0 、6 0 和7 0 对 试样进行形变处理，再冷却到室温，随着压缩量的增加，t 9 1 铁素体耐热钢的 组织逐渐变细；试样先加热至奥氏体区，然后分别冷却到6 5 0 和7 5 0 变形 6 0 ，再冷却到室温，t 9 1 铁素体耐热钢变形温度高的组织比变形温度低的组 织更加细小。 试样完全奥氏体后，分别以l o 、3 0 、5 0 、1 0 0 和2 0 0 m i n 的速度冷却到 室温，不同的冷却速度影响了t 9 1 铁索体耐热钢的相变开始点，冷却速度慢的 相变点比较高；不同冷却速度下生成的组织差别较大，在以1 0 m i n 和 3 0 * c m i n 速度冷却下的组织为较多的块状铁素体和板条马氏体，在以5 0 m i n 和1 0 0 * c m i n 速度冷却下的组织为板条马氏体，在以2 0 0 。c m i n 速度冷却下的组 织中除了含有板条马氏体以外，还出现了片状马氏体。 关键词：t 9 1 、铁素体耐热钢、微观组织、冷却速度、微小应力 a b s t r a c t a sak i n do fs o p h i s t i c a t e df e r r i t eh e a t - r e s i s ts t e e l ，t 91s t e e lh a sb e e np r o d u c e d a n dw i d e l ya p p l i e df o rt e ny e a r s h o w e v e r , m a i np a r t si ns u p e r i o rc r i t i c a lp o w e r p l a n t s ，s u c ha sb o i l e rp i p e s ，h a v et ob ei m p o r t e df o rl a c k i n gi nb a s i ck n o w l e d g eo n m i c r o s t r u c t u r ef o r m a t i o no ft 9 1 t h e r e f o r e ，t oo b t a i nf u n d a m e n t a lr u l ei nt 91 s m i c r o s t r u c t u r ef o r m a t i o np r o c e s s ，t h r o u g ha n a l y s i so ft h ep h a s et r a n s f o r m a t i o n m e c h a n i s mo fc o m p l e t e l y a u s t e n i t e dt 91s a m p l e ，t h ee f f e c to fc o o l i n gs p e e d , s m a l l a p p l i e ds t r e s sa n dl a r g ed e f o r m a t i o no np h a s et r a n s f o r m a t i o nh a sb e e ni n v e s t i g a t e d h e r e a c c o r d i n gt ot h ea b o v ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ha n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，i tc a nb e c o n c l u d e dt h a t ： a f t e rc o m p l e t i n ga u s t e n i z a t i o n t h es a m p l ew a sd e f o r m e dw i t h2 0 0 m p aa t6 5 0 a n dd e f o r m e dw i t h2 0 0 m ：p aa t7 5 0 i nt h ei s o c h r o n a lc o o l i n gp r o c e s sa n dt h e n c o o l e dt oa m b i e n tt e m p e r a t u r e a st h ed e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ed e c r e a s e s t h es t a r t i n g t e m p e r a t u r e o fa u s t e n i t e_m a r t e n s i t et r a n s f o r m a t i o ni n c r e a s e s a n dt h e c o r r e s p o n d i n gm i e r o s t m c t u r ei sm o r er e f i n e di nl o wd e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r et h a n m a ta tt h eh i 曲o n e a l s o ，a f t e r ，c o m p l e t ea u s t e n i z a t i o n ，t h es a m p l ew a sd e f o r m e dw i t h 1 0 0 m p a 1 5 0 m p aa n d2 0 0 m p aa t7 5 0 i nt h ec o o l i n gp r o c e s sa n dt h e nc o o l e dt o a m b i e n tt e m p e r a t u r e a st h ea p p l i e ds t r e s si n c r e a s e s ，t h em a r t e n s i t el a t hb e c o m e s i n h o m o g e n e o u s ，t h eg r a i ns i z ed e c r e a s e sa n d t h eg r a i nb o u n d a r yb e c o m e si r r e g u l a r a f t e rb e i n gh e a t e dt oa u s t e n i t ez o n e ，t h es a m p l ew a sd e f o r m e db yar e d u c t i o no f 5 0 ，6 0 a n d7 0 a t7 5 0 r e s p e c t i v e l yi nt h ef o l l o w i n gc o o l i n gp r o c e s s ，a n dt h e n c o o l e dt oa m b i e n tt e m p e r a t u r e t h er e s u l ts h o w st h a tt h em i c r o s t r u c t u r ei so b v i o u s l y r e f i n e dw i t ht h ea c c e n t u a t i o no fd e f o r m a t i o ne x t e n t a tt h es a n l et i m e a f t e rb e i n g h e a t e dt oa u s t e n i t ez o n e t h es a m p l ew a sd e f o r m e db yar e d u c t i o no f6 0 a t6 5 0 a n d7 5 0 r e s p e c t i v e l ya n dt h e nc o o l e dt oa m b i e n tt e m p e r a t u r e u n d e rt h es a m e d e f o r m a t i o ne x t e n t ，m o r er e f i n e dm i c r o s t r u c t u r ew a sf o u n di nt h es p e c i m e nw i t h h i 。g h e rd e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r e a f t e rb e i n gh e a t ：e dt oa u s t e n i t ez o n e ，t h es a m p l ew a sc o o l e dt oa m b i e n t t e m p e r a t u r ea td i f f e r e n tc o o l i n gr a t e so f10 ，3 0 ，5 0 ，10 0a n d2 0 0 m i n a st h e c o o l i n gr a t ei n c r e a s e s ，t h es t a r t i n gt r a n s f o r m a t i o nt e m p e r a t u r ed e c r e a s e sa n dt h e m i c r o s t r u c t u r eo b t a i n e dv a r i e s b o t hb u l k s h a p e df e n i t ea n dl a t h - s h a p e dm a r t e n s i t e w a sf o u n di nt h o s ew i t hc o o l i n gr a t e so f10a n d3 0 m i n o n l ys i n g l el a t h s h a p e d m a r t e n s i t ew a sf o u n di nt h o s ew i t hc o o l i n gr a t e so f5 0 m i na n d10 0 m i n i nt i l e s p e c i m e nc o o l e dw i t har a t eo f2 0 0 m i n am i x t u r eo fl a t h s h a p e da n dl a m e l l a r m a r t e n s i t ew a so b t a i n e d k e yw o r d s ：t 9 1 ，f e r r i t eh e a t r e s i s ts t e e l ，m i c r o s t r u c t u r e ，c o o l i n gr a t e ， m i c r os t r e s s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：够碘字日期q 叼年f 月衫日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基壅盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。特授 权基鲞盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关 部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：每滋旗导师签名：乏、) 曩乏 签字日期：2 驴孵1 月2 弓日签字日期：2 ) 年f 月移日 第一章文献综述 1 1 引言 第一章文献综述 火力发电厂高温承压部件如主蒸汽管道、集箱、导汽管、过热器和再热器 使用的热强钢，在上世纪七十年代以前是以铁素体钢仰2 2 为主。其热导率 高、线胀系数小、价格低廉，但热强性低、抗蚀性差和淬透性小，受抗氧化温 度的影响，通常用于5 8 0 c 以下。经过二十世纪7 0 年代的石油危机，火力发电 的燃料从石油系统转换为煤炭系统，而由于煤炭发电所造成的大气污染，以及 c 0 2 所引起的温室效应等，环境问题日益恶化。为此，在推进原子能发电的同 时，利用小型发电机、联合发电，把蒸汽的温度提高到6 0 0 左右，提高热效 率，减少燃料消耗量的超高临界压发电已成为发展趋势【l 】。 根据三菱重工提供的数据，在同样的温度( 5 3 8 5 3 8 ) 条件下，超临界 压力锅炉比亚临界压力锅炉机组的效率高1 7 ；在同样的压力( 2 4 6 m p a ) 下，蒸汽温度由5 3 8 5 6 6 提高到6 0 0 6 1 0 ，机组热效率可提高3 5 左 右。可见，提高锅炉蒸汽温度和压力是提高火力发电厂效率最有效的方法之 ，特别是温度对效率的影响更显著。但机组参数和容量的提高对电站用耐热 钢的性能提出了更高要求，因此，世界各国均致力于研制与开发可减小构件壁 厚、抗蠕变性能高、热稳定性强的高合金耐热钢，用以制造壁温 5 8 0 的锅炉 受热面管系，以适应火力发电机组高参数、大容量的发展趋势。在2 0 世纪8 0 年代前9 1 亚临界压力锅炉过热器、再热器用钢，主要是采用s a 2 1 3 t p 3 0 4 h 、 s a 2 1 3 t p 3 2 1 h 和s a 2 1 3 t p 3 4 7 h 等奥氏体不锈钢。虽然这类钢的高温抗氧化性 能好、热稳定性强，但价格昂贵，与其它铁素体钢焊接时，存在异种金属接头 早期失效的弊端，因此在商用上受到了很大限制【2 训。 在高温高压锅炉中尽量不使用奥氏体不锈钢是世界工业发达国家锅炉设计 用钢的准则，也是当今世界各国发展大型火电锅炉用钢的基本原则。t 9 1 铁素 体耐热钢( 9 c r - l m o v - n b ) 就是在这种情况下，由美国橡树岭国家实验室与美 国燃烧工程公司冶金材料实验室合作，在原s a 2 1 3 t 9 的基础上开发和研制的。 1 9 8 3 年，美国材料实验协会将这一改进型9 c r l m o 钢列入s a 2 1 3 标准，钢号为 t 9 1 ；1 9 8 4 年，美国机械工程师协会将其列入s a 3 3 5 标准，钢号为p 9 1 ，并规定 t 9 1 幂i ：i p 9 1 钢可用于蒸汽参数小于2 4m p a 6 5 0 的压力管道及集气管。此后， t 9 1 和p 9 1 逐渐代替了过热器和再热器用的t p 3 4 0 h 和t p 3 1 2 h ，在欧洲、美国和 日本的许多超临界参数机组中投入使用，显示出了优异的综合性能阳】。 我国电站锅炉用管一般在低温段采用碳素钢，高温段用珠光体型或贝氏体 第一章文献综述 钢。7 0 年代中期，电站锅炉用管在高温段( 过热器、再热器及主蒸汽管道) 开 始使用从原联邦德国进口的热强钢管，如：t 2 2 p 2 2 、h t 7 ( 9 c r - l m o ) 和 2 0 c r m o - v 1 2 1 ( f 1 2 ) 或2 0 c r m 州1 2 1 ( f 1 1 ) ；8 0 年代初期，引进了美国的 6 0 0 m w 、3 0 0 m w 亚临界压力锅炉的设计和制造技术，在高温段开始采用 t 91 p 91 、t p 3 0 4 h 或t p 3 4 7 h s _ 1 们。 目前我国电站锅炉高温段所使用的材料各有其优势，同时也存在着一些缺 憾，如主蒸汽管道所使用的p 2 2 钢，随着机组参数的提高，为了保证管道能够 承受更大的应力，必须增加主蒸汽管道的壁厚，这必然会给管件带来大壁厚造 成的温度梯度应力，同时又会给安装和加工带来困难。而f 1 2 ( f 1 1 ) 钢虽然是 一种马氏体热强钢，在高温下其性能具有很大的优势，但是由于其含碳量较 高，所以焊接时容易出现裂纹。奥氏体不锈钢t p 3 0 4 h 和t p 3 4 7 h ，在性能及焊 接方面都具有明显的优势，但材料完全依靠进口且价格昂贵。而目前广泛采用 的t 9 1 p 9 1 管材，它可以在高达6 5 0 。c 的温度下运行，并且在相同的温度范围内 其许用应力与f 1 2 ( 或f 1 1 ) 、9 c r 2 1 m o 、t 2 2 p 2 2 及t p 3 0 4 h 钢相比有许多优势， 因此t 9 1 p 9 1 钢管材可替代焊接性差的2 0 c r m o v l 2 l ( f 1 2 ) 、价格昂贵的 t p 3 0 4 h 不锈钢及热强性较差的t 2 2 p 2 2 钢 1 1 - 1 4 】。 1 2 国内外火电站用热强钢的发展 1 2 1 国外研究进展 提高蒸汽参数需要强度更高，性能更可靠的热强钢，为了进一步提高电厂 发电机组蒸汽参数、提高电厂效率，世界各国开展了认证和开发适宜于在高蒸 汽参数下使用的热强钢的工作。美国、欧洲和日本等国在超超临界电站用热强 钢的研发认证上处于领先地位。美国的e p r i ( e l e c t r i c a lp o w e rr e s e a r c h i n s t i t u t e ) 和欧洲的c o s t 项目与e c c c ( e u r o p e a nc r e e pc o l l a b o r a t i v e c o m m i t t e e ) 等牵头组织研发认证【1 5 - 1 7 】。它们一方面建立超临界，超超临界发电 机组的热强钢体系，另一面完善现有的热强钢体系并研发更先进的热强钢以弥 补现有热强钢的不足。材料研发工作的重点，主要集中于锅炉的热交换器( 如 高温过热器与再热器) 与厚截面高温承压部位( 如高温过热器和再热器的进、 出口集箱、管道及其附件) 及汽轮机转子等。研发的材料主要为9 1 2 w t c r 系 铁素体( 马氏体) 钢和奥氏体钢两大类【i s - 1 9 。奥氏体钢虽然有很好的抗蠕变抗 腐蚀，但数十年的运行经验证明，它的热导率低，热膨胀系数大，疲劳抗力 低。而铁素体钢则抗热导率高、热膨胀系数小、疲劳抗力高，因此近年来，发 达国家在注重改善奥氏体钢性能的同时，已将研发重点转向了9 1 2w t c r 系铁 2 第一章文献综述 素体( 马氏体) 铡2 0 - 2 2 ，以用于锅炉管、锅炉厚截面部件和气轮机转子。 美国电力研究所于1 9 7 4 年组织美国橡树岭国家实验室和美国燃料工程公司 开发了著名的聊9 l 钢，该钢当今已在世界各国得到公认和广泛应用。1 9 8 6 年 又组织欧、日参加的r p l 4 0 3 项目( 改进燃煤电厂) 研究，研发电站锅炉厚截面 部件用钢 2 3 - 2 6 】，在p 9 1 钢的基础上开发出了更好的p 9 2 和p 1 2 2 钢，这是当今超 超临界机组锅炉厚截面部件和蒸汽管的首选钢种。 欧洲1 9 8 6 年一1 9 9 7 年的c o s t 5 0 1 项目研发出了耐温6 0 0 和6 2 0 的e 9 1 1 等转子钢。1 9 9 8 年- - 2 0 0 3 年的项目目标是研发耐温6 5 0 的铁素体马氏体钢， 同时研究其表面涂层和表面处理技术。e c c c 则于1 9 9 8 年建立了p 9 1 和p 9 2 的长 期蠕变性数据库和持久强度值 2 7 - 3 3 】。 日本e p d c 组织研发了耐温6 0 0 及以上的蠕变性能良好的一系列钢种如 n e 6 1 6 ( 即后来的p 9 2 ) 、h c m l 2 a ( 即后来的p 1 2 2 ) 等，并进一步研发用于参 数3 5 m p a 6 5 0 的钢种i _ 3 4 】。 ， 在铁素体( 马氏体) 钢和奥氏体钢两条路中，前者经历了m o 系一c r - m o 系 一c r - m o - v 系一c r - w - v 系的历程，后者则基本是c r - n i 系一c 时寸i t i 烈”】。从目 前世界各国高蒸汽参数发电机组的发展来看，电站锅炉热强钢在研究开发利用 方面的方向和趋势如下： ( 1 ) 利用多元复合强化的原理发展一种低铬，较强的抗蠕变能力，可焊性 好，成本低的热强钢来制作6 0 0 以下的大型发电机组的厚壁件的热交换件， 如日本研制的h c m 2 s 3 6 - 3 8 】； ( 2 ) 重点发展高铬( 9 1 2 c r ) 多元复合强化热强钢，主要采用加w ，减 m o 和以w 代替m o 的合金添加原则； ( 3 ) 将p 9 1 和t 9 1 作为最有前途的用于高温的商业化材料，并部分代替奥 氏体钢制作管件： ( 4 ) 发展蠕变强度高于p 9 1 的马氏体钢制作大型厚壁的非热交换件以代替 奥氏体不锈钢，只有在考虑抗腐蚀及可加工性时才考虑用奥氏体不锈钢作厚壁 件； ( 5 ) 对马氏体钢以提高材料的蠕变断裂强度为主，对奥氏体钢以降低成 本，提高抗蒸汽腐蚀能力为主，如基于t p 3 0 4 h 开发的s u p c r 3 0 4 h ； ( 6 ) 改进型的9 1 2 c r 马氏体钢在抗热腐蚀能力方面始终不及奥氏体 钢，因此，马氏体钢和奥氏体钢的异种钢焊接问题依然是今后的研究重点： ( 7 ) 发展2 0 c r 和2 5 c f 以上的高c r 和n i 合金来制造技术先进的燃煤电厂 的薄壁热交换管子。因为蒸汽温度为6 0 0 6 5 0 ，烟气在该温度下可达到最大 煤灰液相腐蚀速率，此时t p 3 0 0 系列不锈钢抗腐蚀能力不足( 3 9 - 4 1 1 。 3 第一章文献综述 就铁素体( 马氏体) 钢而言，以主加元素c r 含量的不同进行区分，分为 2 c r 、9 c r 和1 2 c r 三大系列。2 c r 系以2 2 5 c r - 1 m o ( t p 2 2 ) 为代表，适用于 5 8 0 及以下；其改良型是以w 替代m o 并加入v 和n b 及降低c 含量而得到的 h c m 2 s ( t 2 3 ) ，焊接性获得了改善【4 2 稍】。 9 c r 系的原型是9 c r - l m o 钢( p 9 ) ，1 9 7 4 年，美国橡树岭国家实验室在美国 燃料工程公司协作下，研制成功了一种改良型9 c r - l m o ( 薄壁小管t 9 1 和厚壁 管道p 9 1 ) 。1 9 8 0 年5 月，第一次将改良型9 c r - l m o 钢t 9 1 制成的实验管安装在 美国田纳西流域管理所属下的k i n g s t o n5 号机组过热器上( 5 9 3 ) ，代替原用的 t p 3 2 l 不锈钢。1 9 8 2 年一1 9 8 4 年，英国和加拿大等国先后用t 9 1 代替原用的不 锈钢过热器和再热器管【删。1 9 8 3 年美国a s t m 和a s m e 先后批准将改良型9 c r - 1 m o 钢t 9 1 分别载于s a 3 3 5 和a 2 1 3 标准，1 9 8 4 年将t 9 1 分别载于a s m e 、 s a 3 3 5 和a s t m 3 3 5 标准内( 名义化学成分见表l 1 ) 。1 9 8 6 年，美国电力研究 所组织欧、日参加的l 冲1 4 0 3 项目( 改进燃煤电厂) 研究，对于可以燃用硫粉、 碳粉高的劣质煤、蒸汽压力和温度更高的超临界直流锅炉，选用p 9 1 作水冷管 壁【4 5 1 。1 9 8 2 年一1 9 8 7 年法国v a l l o u r e c 工业公司与美国燃料工程公司和橡树岭国 家实验室合作，进行了改良型9 c r - l m o 、e m l 2 和x 2 0 三种热强钢的比较研究， 认为t 9 1 和p 9 1 钢有明显的优点，强调要从e m l 2 转为使用t 9 1 和p 9 1 。t 9 1 和 p 9 1 钢从研制成功之后短短7 年就获美国a s m e 和a s t m 标准认可，并迅速在国 际上得到普遍应用，不能不说是锅炉钢史上一个先例，并开始在世界各国被广 泛采用。目前，世界上主要生产锅炉管和大口径厚壁钢管的钢厂已完成t 9 1 和 p 9 1 工业化的研究，并向世界各国供应t 9 1 和p 9 1 钢管和钢件。t 9 1 和p 9 1 钢具 有高的许用应力，高的持久强度，高的疲劳强度，高的热导率，良好的焊接 性，较好的抗腐蚀性。它是完成主蒸汽温度由5 3 8 向5 6 6 过渡的首选材料， 也是完成主蒸汽温度由5 6 6 向5 9 3 过渡的关键材料。不仅可以用于新建动力 设备，也是用于改造现役发电机组高温部件最有前途的替换材料。在t p 9 1 的 基础上又以w 部分替代m o 得到了t p 9 2 钢，w l 少m o 具有更高的热强性，该钢可 在6 2 0 蒸汽温度以下替代奥氏体钢。t p 9 1 和t p 9 2 钢的应用不仅提高了效 率，节约了能源，延长了电厂主要设备的大修周期，使电厂的运行成本降低， 提高了电厂的效益，并提高了安全运行的可靠性，而且减少了2 0 的c 0 2 排放 量，有利于环境保护。运行温度超过6 2 0 时，9 c r 钢因抗腐蚀性的限制，必须 采用1 2 c r 系钢。 1 2 c r 系高铬钢已有近百年的历史，含少量钼和钒等元素的1 2 c r 系热强钢因 其具有很高的蠕变强度，早已用作涡轮机叶片材料【4 6 1 ，但是由于马氏体相变导 致的焊接脆断问题直到5 0 年代中期才得到解决【4 7 1 ，所以1 2 c r 系热强钢5 0 年代 4 第一章文献综述 以后才开始应用于热电厂的蒸汽管道，钢种有1 2 c r m 0 9 1 ( p 9 ) 和 2 0 c r m o v l 2 1 ( h t 9 1 ) ，用作蒸汽管线的工况条件是2 5 m p a 5 4 0 和 2 5 m p a 5 6 0 。现在已经通过降低c 含量以改善焊接性和以w 、v 和n b 合金化开 发了多个h t 9 1 的改良钢种，以1 2 c r l m 洲n 帕( h c m l 2 ) 第二代热强钢为代 表，是6 铁素体一马氏体双相钢，热强性和焊接性更好，抗腐蚀性较差，许用应 力略高于t 9 1 。用w 取代更多的m o 并添加1 c u 形成t p 1 2 2 钢，消除了6 铁素 体，固溶强化和弥散强化效果明显增强，更进一步提高了蠕变强度和强韧性， 适合制造6 2 0 。c 以下的厚壁部件。第三代1 2 c r 系钢是在t 9 1 基础上；n c r 得到的 t b l 2 ( 1 2 c r 0 5 m 0 1 8 w 、帆) ，是更有前景的锅炉管钢。第四代1 2 c r 系钢n f l 2 ( 1 l c r 、n 沛c o b n ) 和s a v e l 2 ( 1 l c r w c o 妯t a n d n ) 通过t a 和n b 等的合金化 以产生纤细而稳定的氮化物，使热强性提高，适宜的使用温度可达6 5 0 。 总体来说，铁素体( 马氏体) 热强钢的发展是以9 1 2w t c r 为基础，加 入m o 、w 、v 、n b 和t a 等高熔点过渡族金属的合金化来达到固溶强化和析出强 化，同时用b 、n 、c u 和r e 等微合金化以进一步提高性能，甚至正在研究以碳 化物( w 、t i ) c 、( w 、n b ) c 或氧化物等超细弥散相进行弥散强化【4 8 1 。然 而，钢的热强性毕竟受f e 的限制，当7 0 0 c 以上时，则需要使用n i 基合金，更 高的温度就得考虑金属间化合物、陶瓷和碳素材料等。 合金元素在铁素体( 马氏体) 钢中的作用被广泛研究。c r 既固溶强化又抗 氧化腐蚀：w 、m o 主要为固溶强化，也参与形成m 2 3 c 6 碳化物析出强化；v 、 n b 形成纤细弥散稳定的m x 碳氮化合物而产生沉淀强化( 以0 2 5 v 和0 0 5 n b 的组合最为有效【4 9 1 ) ；n i 可改善韧性但却牺牲蠕变抗力，故要限制其量；以 c u 代n i 可稳定蠕变强度；b 进入m 2 3 c 6 ，并偏聚于m 2 3 c 6 和基体间的界面从而阻 止m 2 3 c 6 的熟化长大，b 也促进v n 形核而提高蠕变强度；c o 除固溶强化这个主 要作用之外，还延缓了马氏体在高温回火时的回复，并促进回火时细小碳化物 的形核，还减慢碳化物的熟化长大，从而提高蠕变强度；c 是形成碳化物强化 相所必须的，但损害可焊性，为了提高可焊性必须限制c 含量【4 9 】。 厚截面锅炉部件和蒸汽管用钢要求较高的蠕变断裂强度和良好的抗热疲劳 能力及良好的加工工艺性。较高的蠕变断裂强度可以减小部件壁厚，改善管系 柔度，减轻管系重量。良好的抗热疲劳能力和较高的蠕变断裂强度可使联箱承 受较大的温度变化梯度。良好的加工工艺性能能使厚截面部件和蒸汽管在弯曲 和焊接后依然保持良好的力学性能【5 0 】。 典型铁素体钢的名义成分见表1 一l ： 表1 1 典型铁素体钢的名义化学成分，m 5 第一章文献综述 t a b l ei - in o m i n a lc h e m i s t r yc o m p o s i t i o no f t y p i c a lf c r r i t cs t e e l ，w t 2 c r 1 2 c r t p 2 2 t 2 3 o 1 22 。2 51 0 0 0 62 2 50 11 60 2 50 0 50 0 0 30 0 5 7 c r m o t i b l 0 1 0 o 0 72 41 o t 9 t p 9 l t p 9 2 c o s t e c o s t f c o s t b h t 9 l h t 9 h c m l 2 h c m l 2 a t b l 2 t 1 2 2 n f l 2 0 1 29 o1 0 0 1 09 o 1 o 0 0 79 00 51 8 0 1 2l o o1 0 o 1 21 0 01 51 o 0 1 79 51 5 o 2 01 2 o1 o 0 2 01 2 o1 00 5 o 1 01 2 o1 01 0 0 1 01 1 0o 51 8 0 0 81 2 0 0 5 1 8 o 1 l 1 2 o 0 4 2 0 5 8 0 6 2 5 o 2 5o 0 0 3o 0 50 0 5 t 6 2 5 5 0 0 o 2 0o 0 80 0 5o 0 5 n i5 9 3 0 2 00 0 5o 0 0 40 0 66 1 0 0 2 00 0 50 0 66 1 0 0 2 0o 0 5o 0 66 1 0 0 2 00 0 50 o lo 0 66 2 5 o 2 50 0 5 n i5 6 0 0 2 50 0 5 n i5 6 0 o 2 50 0 5o 0 36 5 0 0 2 50 0 5o 0 0 4o 0 31 0 c u6 1 0 0 2 00 0 5 o 2 0o 0 5 0 0 81 1 00 22 62 50 2 00 0 7 0 0 50 1 n i6 2 0 0 0 6 1 0 c u6 2 0 o 0 5 6 5 0 s a v e l 2 0 1 01 1 0 3 o3 0o 2 00 0 7 0 0 4 6 5 0 t p 9 1 、p 9 2 ( n f 6 1 6 ) 和p 1 2 2 ( h c m l 2 a ) 是最值得推荐的厚截面锅炉部 件和蒸汽管用钢【5 0 】。日本1 9 8 8 年投产的k a w a g o e 电站首次大规模将p 9 1 应用于 超超临界参数。1 9 9 0 年英国国家电力公司选择p 9 1 作为电站联箱改造时p 2 2 的 升级替代品。丹麦先后在1 9 9 7 年和1 9 9 8 年将p 9 1 应用于蒸汽参数为 2 8 5 m p a 5 8 0 的超超临界电站s k a r b a k 和n o r d j y l a n d ，后者的发电效率为4 7 。p 9 2 和p 1 2 2 热强性更高，可用于3 2 5 m p a 6 1 0 * c 超超临界参数，是制造高 级超超临界电站锅炉厚截面部件和蒸汽管的理想钢种。丹麦已成功地将p 9 2 和 p 1 2 2 用于1 9 9 8 年投产的超产临界电站n o r d j y l a n d 的锅炉联箱。日本采用p 1 2 2 建 造了2 0 0 0 年投产的t s u r u g a2 号超超临界电站( 7 0 0 m w ，蒸汽参数为 2 4 1 m p a 5 9 3 5 9 3 ) 。2 0 0 1 年日本日立公司选择p 9 2 和p 1 2 2 建造1 0 5 0 m w 的 t a c h i b a n a w a n2 号超超临界电站，蒸汽参数3 0 0m p a 5 8 0 6 0 0 归m 5 2 。 6 第一章文献综述 图1 一l 是这些钢在不同温度时的l o 万小时蠕变断裂强度，它们明显优于 亚临界机组用铁素体钢l 2 c r m o v 和p 1 2 2 与2 0 c r m o v l 2 1 。 。 。 。 - 。 i -、 、 ip 9 2 7 p i ， ，l 。 i 、 、 匦人 、 、l 、 l2 0 c z o v l 2 1 _ j 1 ：0 5 c r m o vl 、 i1 、 li 1 、 - 一- ， 5 5 06 0 06 5 0 t e m p e r a t u r e 图1 一l 锅炉厚截面部件和蒸汽管用铁索体钢1 0 万小时蠕变断裂强度5 0 1 f i g u r e1 一lr u p t u r es t r e n g t ho ft r a n s e c t i o na s s e m b l yi nb o i l e ra n df e r r i t es t e e lf o rs t e a mp i p ea f t e r h a v i n gb e e nu s e df o r1 0 0t h o u s a n dh o u r s 【5 0 】 超超临界电站的末级过热器管在内承受最为恶劣的使用工况，因此要求很 高的蠕变断裂强度和良好的抗腐蚀性。过热器设计温度一般比额定蒸汽温度高 3 0 c ，因此当今的超超临界电站过热器使用奥氏体钢【5 0 】。 丹麦的超超临界电站s k a r b a k 和n o r d j y l a n d 过热器使用日本研发的细晶奥 氏体钢t p 3 4 7 h f g ( 1 8 c r - 1 0 n i ) ，该钢的最高使用温度为6 2 0 。日本还研 发了使用温度为6 5 0 的过热器管钢s u p e r 3 0 4 h ( 1 8 c r - 9 n i c u ) 、n f 7 0 9 ( 2 0 c r - 2 5 n i ) 和h r 3 c ( 2 5 c r - 2 0 n i ) ，s u p e r 3 0 4 h 是t p 3 0 4 h 中添加0 4 n b 以进一步提高蠕变断裂强度的改进型，h r 3 c 则具有良好的抗硫蚀能力。 这些钢在不同温度时的l o 万小时蠕变断裂强度见图l 一2 。 水冷壁管要求一定的蠕变强度和抗腐蚀性，还要求管材焊接后无需热处理 s o l o 早先的水冷壁管钢t 1 1 ( 1 c r l 2 m o ) 的出口蒸汽温度必须低于4 2 0 ，为提 7 一o。t】誊彳疗叶mrlc它l-ot侣计_呵t。1ill_譬ai 第一章文献综述 高水冷壁管出口蒸汽温度，日本研发出了h c m 2 s ( 2 2 5 c 卜w ) 和h c m l 2 ( 1 2 c r o m o w ) 钢，德国m a r m e s m a n n 钢管公司研发出了7 c r m o v t i b ( 2 2 5 c r - m o ) 钢，三个钢的水冷壁管出口蒸汽温度均可达4 7 5 c - 5 0 0 c 5 0 1 。图l 一3 是这些 钢在不同温度时的1 0 万小时蠕变断裂强度。 2 0 0 1 0 0 0 k 毯 、心 k i沁k 心爿坚：q ! - j l h r 3 cr fs u p e r3 0 4 h q 心 、 li& ft p 3 4 7 h f g j j ，。 。弋心 、 、 、刘 、 一 、 、 7 8 0 0 t e m p e r a t u r e c 图1 2 锅炉过热器管用钢铁素体钢1 0 万小时蠕变断裂强度5 0 】 f i g u r e1 - 2 r u p t u r es t r e n g t ho ff e r r i t es t e e lf o rs u p e r h e a t e rp i p ei nb o i l e ra r e rh a v i n gb e e nu s e df o r 10 0t h o u s a n dh o u r s 【5 0 】 汽轮机转子用钢对蠕变断裂强度和疲劳强度及断裂韧性要求较蒯5 0 】。9 1 2 c 嘲是传统的转子用钢，例如1 2 c r - m o v 钢可用于5 6 5 。日本e p d c 牵头 开发了新的转子钢t r l l 0 0 、t r l l 5 0 和t r l 2 0 0 ，设计应力1 2 5 m p a ，工作温度分 别为5 9 5 、5 2 0 和6 4 0 。t r l1 0 0 已用于日本的超超临界电站w a k a m a s t u 的 高压转子。欧洲c o s t 5 0 1 项目发展出c o s t e ( 1 2 c r m o 、佻n 1 0 1 1 ) 和c o s t f ( 1 2 c r m o v n b n l 0 1 ) 两种转子钢，可在3 2 5 m p a 6 1 0 工作。c o s t 5 2 2 项目研 发的c o s t b ( 1 8 c r m o v n b b 9 1 ) 钢的工作条件可达3 2 5 m p a 6 2 5 s o 】。 汽轮机静态部件如内外缸和阀门等，要求具备较高的蠕变断裂强度和良好 的抗热疲劳性能及较高的断裂韧度。目前在5 6 5 的蒸汽温度下广泛使用p 9 1 铸 钢【5 0 】。 8 _ooe()o了n一巾。口叶c口一ljho一崎mj一了一茎vll- 第一章文献综述 汽轮机高温螺栓用材对于超超临界电站汽轮机组以镍基合金n i m o n i c 8 0 a 最 为合适【5 0 】。 | 、 、 ! l 3 & 、k l 严s - 4 x h c m l 2 1 、。 p 、；5 v i l l亨蠢蠡闹皿o _ j i1 r _ v 。 i i 图1 3 锅炉水冷壁管用铁素体钢的1 0 万小时蠕变断裂强度5 q f i g u r e1 3r u p t u r es t r e n g t ho ff e r r i t es t e e lf o rw a t e r - c o o l e dp i p ei nb o i l e ra f t e rh a v i n gb e e nu s e d f o r10 0t h o u s a n dh o u r s 1 5 0 1 2 2 国内发展现状 上世纪六十年代以前，我国火电站用热强钢模仿前苏联系列，金属壁温超 过5 8 0 的锅炉管，均用奥氏体钢。上世纪六十年代，我国研制成功低碳、低 合金贝氏体热强钢1 2 c r 2 m o w v t i b ( 1 0 2 钢) ，系以w 、m o 复合固溶强化和 v 、t i 复合弥散强化及微量b 界面强化，因而具有较好的综合力学性能和工艺 性，主要用于6 0 0 以下的过热器管与再热器管，以替代奥氏体钢而获得广泛 应用。但该钢的热强性与抗氧化性匹配不好，常发生爆管事故。随着蒸汽参数 和厂效率的不断提高，寻求更好的热强钢势在必行。 自1 9 8 7 年开始，我国福州电厂引进的5 0 m w 锅炉采用了( p 5 8 6 x 6 4 m m 的 t 9 1 铁素体耐热钢管为三级过热器以及用t q 0 5 4 x 9 9 m m 和c p 5 4 x 6 7 m m 的t 9 1 铁