（材料学专业论文）热处理对gx12crmowvnbn1011耐热钢组织和性能的影响.pdf

哈尔滨理工大学工学颈 ：学位论文 热处理对g x 1 2 c r m o w v n b n l 0 1 1 耐热钢组织 和性能的影响 摘要 本文通过对新型耐热钢g x 1 2 c r m o w v n b n l 0 1 1 的热处理工艺和高温 力学性能进行研究，以期使这种材料能满足蒸汽参数不断提高的火力发电机 组的使用要求，从而提高机组发电效率、减少废气排放，这具有很大的经济 效益和社会效益。 该文应用t h e r m o c a l c 热力学软件分析了g x 1 2 c r m o w v n b n l 0 1 1 钢 中的平衡析出相以及钢中主要合金元素含量对各相析出条件的影响：研究热 处理工艺中的淬火和回火工艺对钢组织和性能的影响；在5 5 0 、6 0 0 、 6 5 0 、7 0 0 温度条件下进行高温拉伸试验并扫描其断口，研究钢的高温力 学性能。研究结果表明： g x 1 2 c r m o w v n b n l o 1 一l 钢中平衡析出相有6 f e 、y f e 、伐f e 、m x 型碳氮化物、m 2 3 c 6 碳化物、l a v e s 相。合金元素主要影响完全奥氏体化温 度区间以及第二相粒子的析出温度及析出量。 淬火方式采用风冷得到的综合力学性能比采用油冷稍好，但是差别不明 显。回火温度是影响g x 1 2 c r m o w v n b n l 0 1 1 钢力学性能的重要因素，回 火温度过低，板条马氏体回复不充分；回火温度过高，马氏体发生分解转变 为回火索氏体，7 3 5 7 7 5 是回火最佳温度。 g x 1 2 c r m o w v n b n l 0 1 1 钢在高温下具有较好的抗软化能力，较高的 抗拉强度和塑性，在试验温度下，断裂方式为穿晶韧性断裂。钢中存在杂质 颗粒对塑性影响较大，而对抗拉强度影响较小。 关键词 新型马氏体耐热钢；g x 1 2 c r m o w v n b n l 0 1 1 ；热力学分析；热处 理工艺；高温拉伸 哈尔滨理工人学丁学硕士学位论文 e f f e c to fh e a tt r e a t m e n to ns t r u c t u r ea n d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fh e a t - r e s i s t a n t s t e e lg x 12c r m o w v n b n a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , h e a tt r e a t m e n ta n dh i g ht e m p e r a t u r em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f n e wm a r t e n s i t i ch e a t r e s i s t a n ts t e e lg xl2 c r m o w v n b n1o 1 1w e r er e s e a r c h e d i no r d e rt op r o v et h a tt h i sk i n do fs t e e lc a nb eu s e df o re l e v a t e ds t e a mp a r a m e t e r t h e r m a lg e n e r a t o rs e t ，t h e r e f o ri n c r e a s eg e n e r a t i n ge f f i c i e n c ya n dr e d u c ee x h a u s t g a s s oi th a sg r e a tb e n f i tt oe c o n o m ya n ds o c i e t y i nt h i sp a p e r ，e q u i l i b r i u mp r e c i p i t a t e dp h a s e si nh e a t - r e s i s t a n ts t e e lg x12 c r m o w v n b n1o l - 1w e r es t u d i e d u s i n g s o f t w a r et h e r m o c a l cf o r t h e r m o d y n a m i ca n a l y s i s a n de f f e c to fa l l o ye l e m e n t so np r e c i p i t a t e dp h a s e sa n d h e a tt r e a t m e n ti n c l u d i n gq u e n c h e ra n dt e m p e ro nm i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e s w a r ea l s o a n a l y z e d h i g ht e m p e r a t u r et e n s i l ep r o p e r t i e s a td i f f e r e n th i g h t e m p e r a t u r eo f5 5 0 c ，6 0 0 。c ，6 5 0 c ，7 0 0 cw e r et e s t e da n dt h et e n s i l ef r a c t u r e s w e r es c a n n e d t h ef o l l o wf a c t sw e r ed i s c o v e r e d ： t h ee q u i l i b r i u m p r e c i p i t a t e dp h a s e s i nc a s th e a t r e s i s t a n ts t e e l g - x 1 2 c r m o w v n b n1o - 1 - 1a r e6 一f e ，y - f e ，a - f e ，m x ，m 2 3 c 6 ，l a v e s t h ee l e m e n t s i ns t e e la f f e c tt h ea u s t e n i t i c r a n g e ，a n ds e c o n d p h a s ea m o u n ta n d t h e i r p r e c i p i t a t i n g t e m p e r a t u r e c o m p r e h e n s i v em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs t e e lw i t hw i n dq u e n c h i n gw e r e b e t t e rt h e nt h a tw i t ho i l q u e n c h i n g ，b u tt h e d i f f e r e n c ew a sn o to b v i o u s t e m p e r i n gt e m p e r a t u r es i g n i f i c a n t l ya f f e c t e dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs t e e l g x12 c r m o w v n b nl0 1 一1 i fi t st o ol o w , l a t hm a r t e n s i t ec a nn o tr e c o v e r s u f f i c i e n t l y i na n o t h e rh a n d ，i ft h et e m p e r a t u r ei st o oh i g h ，m a r t e n s i t et r a n s f o r m a n db e c o m et e m p e r e ds o r b i t e t h et e m p e r a t u r er a n g eb e t w e e n7 3 5 a n d7 7 5 。c ist h em o s ts u i t a b l et e m p e r i n gt e m p e r a t u r e g - x12 c r m o w v n b n1o 一1 1h a s g r e a t s o f t r e s i s t a n t p r o p e r t y a t h i g h i i 哈尔滨理t 大学工学硕十学位论文 t e m p e r a t u r e ，g o o ds t e n g t ha n dp l a s t i c i t y t h et e n s i l ef r a c t u r em o d ei s d u c t i l e f r a c t u r ea tt e s t i n gt e m p e r a t u r e i m p u r i t yi ns t e e ls i g n i f i c a n t l ya f f e c t e dp l a s t i ca n d d u c t i l i t yp r o p e r t i e s ，a n da f f e c t e dt h es t r e n g t hs l i g h t l y k e y w o r d s n e wm a r t e n s i t i ch e a t r e s i s t a n ts t e e l ，g x12 c r m o w v n b n10 - l - 1 ， t h e r m o d y n a m i ca n a l y s i s ，h e a tt r e a t m e n tc r a f t ，h i g h t e m p e r a t u r e t e n s i l e i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文热处理对g x 1 2 c r m o w v n b n l 0 1 1 耐热钢组织和性能的影响，是本人在导师指导下，在 哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所 知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研 究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结 果将完全由本人承担。 作者签名：幼己飞飞 同期：历川年弓月节h 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 热处理对g x 1 2 c r m o w v n b n l 0 1 1 耐热钢组织和性能的影响系本人 在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论 文的研究成果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名 义发表。本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授 权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论 文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密商。 ( 请在以上相应方框内i t 4 ) 作者签名：札毛色 导师硌砖鲻琴 日期：沙穆年；月绛日 同期：沙口碧年弓月净日 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 超( 超) i i 缶界火力发电技术 火力发电是当今世界的主要发电方式，虽然新的发电技术如核动力发电、 风力发电、太阳能发电的技术正在不断发展，但是火力发电仍占总发电量的 7 5 左右，这一比例在中国为8 0 左右，而且在未来几十年内仍然是发电主流 形式【1 剖。 人类历史发展进入2 l 世纪的今天，随着工业经济的发展，对电力的需求 也日益增加，因此要不断发展新的发电技术，提高发电效率，以满足需求。另 一方面，火力发电是一种以消耗不可再生资源( 煤、天然气等) 为代价，而且 发电过程中排放出大量的c 0 2 、s 0 2 等废气，对环境造成极大的污染，所以也 对提高火力发电效率以提高能源利用率和废弃排放量提出了要求 4 5 l 。 超( 超) 临界火力发电技术正是通过提高蒸汽温度和压力来提高发电效 率，是一种很有前途的火力发电技术，它的不断发展具有很好的经济效应和社 会效应【6 1 。 美国、德国、前苏联都是发展超( 超) 临界发电技术较早的国家，都是从 5 0 年代末6 0 年代初开始发展超超临界火力发电技术。在发展的初期，发电机 组的蒸汽参数都较高，比如美国1 9 5 7 年投运的第一台1 2 5m w 试验性的高参 数超临界机组，蒸汽参数为3 1m p a 6 2 1 5 6 6 5 3 8 。c ，德国1 9 5 6 年投运的第一台 超临界机组参数为2 9 3m p a 6 0 0 ( 无再热) 的“7m w 7 9 1 。但是当时由于材 料水平的限制，火电机组在高参数下的运行并不可靠，经常出现由于锅炉或钢 管材料失效而产生的事故。所以只能通过降低蒸汽温度和压力参数来保证机组 的可靠运行。日本是发展超超临界技术较晚的国家，但是却是发展最迅速的国 家，通过引进、技术消化和创新，日本的超超临界火电技术得以不断提高，可 靠运行蒸汽参数也不断提高，如1 9 8 9 年日本投运了当时世界上第一台采用超 超临界参数的川越电厂1 号机组，其主蒸汽参数为3 1 m p “5 6 6 5 6 6 5 6 6 1 1 0 】。 丹麦也是应用超超临界技术较为成功的国家。丹麦1 9 9 8 年投运了一台容量为 4 0 0m w 、2 9m p a 、二次再热、新蒸汽和再热蒸汽温度为5 8 0 5 8 0 5 8 0 的超临 界机组，机组效率最高可达4 7 。又据介绍，丹麦于2 0 0 1 年投运的一台超临 界机组效率高达4 9 ，这是目前世界上已知的超临界机组中运行效率最高的机 哈尔滨理工人学工学硕十学位论文 组。3 1 。 我国火力发电技术的发展较为缓慢【1 4 - 15 1 。从2 0 世纪5 0 年代中期6m w 中 压机组起步，到7 0 年代具备设计制造2 0 0m w 超高压机组和3 0 0m w 压临界 压力机组的能力，但是我国机组的技术性能和运行可靠性与国外先进水平相比 还有很大的差距。从8 0 年代开始，我国采取引进一消化吸收一攻关创新一推 广应用的技术路线，自主研制开发火电机组，现已发展到自主设计制造6 0 0 m w 的亚临界压力机组。近十年来，我国新建火力机组容量也从1 0 0 - - 一2 0 0 m w 为主发展到以3 0 0 - - 6 0 0m w 为主。目前国内虽具有制造超临界压力机组 的能力，但是由于技术水平的限制，但是大部分超临界及超超临界火电机组靠 进口。我国火力发电厂采用的蒸汽参数和相应的机组容量如表1 1 所示。 表1 1 我国火力发电厂采用的蒸汽参数和相应机组容量 t a b l e1 1s t e a mp a r a m e t e ra n dc a p a b i l i t yo ft h e r m a lg e n e r a t o rs e ti no u rc o u n t r y 电厂参数类型 汽轮机气压( m p a )汽轮机气温( )机组容鼙( m w ) 中温在压 3 44 3 56 5 0 高温高压 8 85 3 52 5 - 1 0 0 超高压1 3 25 3 5 1 2 5 2 0 0 亚临界压力1 6 75 3 53 0 0 超l 临界压力2 4 15 3 8 5 3 86 0 0 近年来，由于国内工业大力发展和人民生活水平快速提高，对电的需求越 来越大，使得不少地区在用电高峰期出现缺电的情况，严重影响经济发展和人 民同常生活，大力发展和建设超临界火电机组是解决上述问题的可行方法。 1 2 超( 超) 临界火电机组用耐热钢的分类及发展 高蒸汽参数将带来高的发电效率，但是大容量机组并不是参数越高越好， 它收到材料的限制和单位造价、优选参数、优化设计的制约。随着参数的提 高，蒸汽管道、阀门、锅炉和汽轮机部件用材也必须相应提高等级。所以材料 技术将是超临界发电技术的关键技术。要实现更高蒸汽参数机组的可靠运行， 研发适合更高参数下服役的强度更高、性能更可靠、性价比更优的耐热钢势在 必行【1 6 ”】。 电站用耐热材料按材质可分为耐热钢和n i 基高温合会。n i 高温合金主要 应用在航空领域，在目前的火力发电机组中仅限用于叶片和紧固件材料【1 8 1 。国 哈尔滨理t 大学t 学硕十= 学位论文 内外以及运营的或者正在设计建设的u s c 机组的蒸汽温度参数大多为5 6 6 一- - 6 2 0 ，压力则有2 5m p a 、2 7m p a 和3 0 - - - 3 1m p a 共三个级别。具有高蒸汽参 数的发电机组对耐热钢提出了更高更全面的要求，先进的耐热钢应具备以下特 点： ( 1 ) 较高的蠕变断裂强度； ( 2 )在运行气氛中具有足够的抗热腐蚀的能力； ( 3 )长期的结构稳定性； ( 4 )良好的冷加工性； ( 5 )足够的长期断裂韧性( 主要对马氏体钢) ； ( 6 )可焊性： ( 7 )运行监控和制造过程中无损检测的可测性。 为了进一步提高电厂发电机组蒸汽参数，提高电厂发电效率，世界范围内 各国电力机构开展了认证和开发适用于高蒸汽参数下使用的耐热钢工作。如 e p r j 、e l s a m 、n a t i o n a lp o w e r 、e p d c 和欧洲的c o s t 5 0 1 组织等等 1 9 ，2 们。通 过材料认证工作，一方面建立超临界、超超临界发电机组的耐热钢体系，另一 方面完善现有耐热钢体系并研制开发更先进的耐热钢以弥补现有耐热钢的不 足。 耐热钢按组织分类主要为：铁素体型耐热钢、奥氏体型耐热钢、珠光体型 耐热钢、马氏体型耐热钢、贝氏体型耐热钢。 按材料的成型方法分铸件、锻件和管件。 在工业使用上，耐热钢主要常按含其c r 含量及使用性能将耐热钢分为低 合金1 - 3 c r 钢、9 1 2 c r 钢和奥氏体钢。 1 2 1 低合金1 - 3 c r 钢 低合金耐热钢在火电锅炉中作为压力部件得到了大量应用，特别是过热 器、再热器地低温区域以及水冷壁，在联箱和管道中应用也比较普遍。长期以 来这类钢的主力钢种包括锅炉材料p 1 1 、p 2 2 以及1 2 c r l m o v 等和汽轮机材料 l c r m o v 等( 见表1 2 ) t 2 l 2 ”。随后住友金属开发了t p 2 3 ，通过在t 2 2 基础成分 中加入w 取代部分的m o 并添加n b 、v 提高蠕变强度，降低了c 含量以提高 耐热钢的焊接性能，同时加入微量的b 提高淬透性以获得完全的贝氏体组织。 同时，欧洲开发了t p 2 4 ，其合金化特点是通过v 、t i 、b 的多元微合金化提 高蠕变性能【2 4 1 。t 2 3 在5 5 0 的许用应力接近t 9 1 ，6 0 0 的蠕变强度比t 2 2 高 9 3 ，t 2 4 的高温强度还要高一些。这两种钢具有优异的焊接性能，无需焊后 热处理，因此适合作为超( 超) 临界机组的水冷壁材料。也可取代1 0 c r m 0 9 1 0 、 1 2 c r l m o v 等材料作为亚临界机组的高温管道和联箱，可显著降低壁厚。表1 2 是几种工业上常用的低合金钢牌号及其化学成分。 表l - 2 低合金耐热钢的化学成分( w t ) t a b l e1 2c h e m i s t r yc o m p o s i t i o no fl o w a l l o y e dh e a t r e s i s t a n ts t e e l 牌号 cm npss ic rm o t p 1 20 0 5 o 1 5o 3 0 6 o 0 2 5 0 0 2 5o 5 1 01 。o 一1 5o 4 4 0 ，6 5 t p 2 20 0 5 o 1 5o 3 o 6 0 0 2 5 0 0 2 5 0 51 9 2 60 0 5 1 1 3 t p 2 30 0 4 0 1 00 1 o 6 o 0 3 0 o 0 1 0 0 51 9 2 60 0 5 o 3 0 t p 2 40 0 5 o 1 0o 3 一o 7 0 0 2 5 o 0 1 0o 1 5 0 4 52 2 2 60 9 0 1 1 0 1 c r m o vo 2 50 8 0 0 l o 0 2o 21l 牌号 vn n bw b 木 a lt i t p 1 2 t p 2 2 t p 2 30 2 0 3 o 0 3o 0 2 0 0 81 4 5 一1 7 50 5 一o 6 0 0 3 t p 2 4o 2 0 3 o 0 1 21 5 7 o 0 0 20 0 5 0 1 0 l c r m o vo 30 0 4o 0 1 注：b 的单位为1 0 石 这类低合金耐热钢关键的性能要求包括：( 1 ) 4 5 0 * c 以下良好的抗拉强度 ( 1 2 0 m p a ) ；( 2 ) 5 5 0 。c 以下的持久强度；( 3 ) 无需焊后热处理的优异焊接性能； ( 4 ) 良好的抗蒸汽氧化性能：( 5 ) 通过堆焊或喷涂获得优异的抗烟气腐蚀性 能。 1 2 29 一1 2 c r 钢 9 2 c r 马氏体钢是电站机组中最重要应用最多的一类材料，通常用于 锅炉和汽轮机的许多部件，包括锅炉管、联箱、管道、转子、汽缸等。 对于锅炉用9 1 2 c r 马氏体钢，主要的性能指标包括蠕变强度和运行温 度下的组织稳定性、高的a c ，温度、良好的焊接性能和第四类裂纹敏感性、抗 蒸汽氧化能力、疲劳性能等。其中t p 9 1 钢是美国在2 0 世纪7 0 年代初由橡树 岭国家实验室( o r n l ) 在t p 9 钢的基础上开发出来的一种综合性能优异的 哈尔滨理t 大学工学硕七学位论文 9 c r 钢。它是在t p 9 钢的基础上通过添加微量合金元素v 、n b 等，并控制 c 、n 的含量而得到，中国的合金牌号为1 0 c r 9 m 0 1 v n b ，目前在国内外的亚临 界和超临界机组中得到广泛应用 2 5 - 2 7 。在p 9 1 钢的基础上通过以w 取代部分 m o 获得了t p 9 2 钢( n f 6 1 6 ) 【28 2 9 】和e 9 1 1 ( t p 9 1 1 ) 2 种新型钢种【3 0 1 。在1 2 c r 钢 中通过相同的合金化思想，日本于2 0 世纪9 0 年代开发了p 1 2 2 钢 ( h c m l 2 a ) e 3 1 1 。为了避免出现6 铁素体，在钢中还加入了1 左右的c u 。这三 种钢高温强度比p 9 1 都有不同程度的提高，p 9 1 钢可广泛应用于超临界火电机 组的主蒸汽、再热蒸汽器管，而t p 9 2 、e 9 1 1 ( t p 9 1 1 ) 、p 1 2 2 ( h c m l 2 a ) 是目前 阶段参数更高的超超临界火电机组( 蒸汽温度小于6 2 0 。c ) 的联箱和高温蒸汽管 道的主要材料。下一代性能更高的新型9 1 2 c r 马氏体钢正在研制当中，它 们是在这三种马氏体钢的基础上通过进一步增加w 含量和添加c o 、t a 等合金 元素得到，正在研发的材料有n f l 2 和s a v e l 2 等f 3 2 1 ，预计可以在6 5 0 的蒸 汽温度下使用。9 1 2 马氏体耐热钢的发展过程及趋势如图1 1 所示。 3 5 m p a i 9 c r - i m o i 1 2 c r l ， 第一阶段 6 0 m p a - 49 c r 2 m o 12 c 卜o 5 m 0 - - 叫9 c r - 2 m o v n b 1 2 c 卜l m o v 一9 c r - l l vo v n b1 2 c 卜1 1m o w v 第二阶段 1 0 0m p a 9 c 卜l m o v n b _ l 厶、一1 1 1 v u jt t v 第三阶段 1 4 0m p a - - t12 c r 一0 5 m o 一1 8 w v n b 1r 9 c r - 0 5 m o 一1 8 w v n b - 一12 c r - 0 5 m o 一2 w c u v n b 00 第四阶段 1 8 0m p a 12 c r w c o n i v n b 12 c 卜w c o v n b 图1 - 19 - q 2 c r 马氏体耐热钢的发展过程和趋势 f i g 1 1d e v e l o p i n gp r o c e s sa n dt r e n do f9 12 c rm a r t e n s i t eh e a t r e s i s t a n ts t e e l 在汽轮机的转子、叶片、汽缸和阀体中对这类耐热钢的性能要求包括：低 周疲劳性能、蠕变强度、低的应力腐蚀敏感性、铸造性能等。普通的1 2 c r 哈尔滨理工人学t 学颀卜学位论文 钢作为5 6 5 以下汽轮机转子锻件具有足够的持久强度和抗热疲劳性能及韧性 等。9 1 2 c r 汽轮机用钢的合金强化趋势与锅炉钢是类似的。英国的 1 2 c r 0 5 m o v n b n ( h 4 6 ) 是发展的基础，美国2 0 世纪5 0 、6 0 年代在h 4 6 的基础 上降低了n b 含量，从而降低固溶析出温度和保证韧性，并减少c r 含量来抑制 6 铁素体得到1 0 5 c r l m o v n b n ( g e ) 以及g e 调整型，同时还在1 2 c r m o v 基础 上开发了含w 的1 2 c r 转子用钢a i s l 4 2 2 ，这些钢与1 c r m o v 相比具有更好 的性能，其中g e 钢在5 6 5 的超临界机组得到了成功应用。同本在h 4 6 基础 上添加了b 开发初1 0 5 c r l 5 m o v n b b ( t a f ) 钢用于燃气轮机涡轮盘和小型汽轮 机转子。但运行与5 9 3 和6 3 0 的超临界和超超临界火电机组中上述钢种的 蠕变强度尚不足【3 3 1 。日本在2 0 世纪7 0 年代开发了1 2 c r - m o v n b 系列5 9 3 级 别的t r l l 0 0 ( t m k l ) 和t o s l 0 1 、1 2 c r m o v n b w n 系列6 2 0 级别的 t r l l 5 0 ( t m k 2 ) 矛it o s l 0 7 ，更高合金含量的1 2 c r m o v n b w 系列钢t r l 2 0 0 和 1 2 c r m o v n b w c o b 系列钢t o s l l 0 则用于入口温度高于6 3 0 的转子，其中 t m k l 和t m k 2 已被用于日本5 9 3 以上的超临界超超临界机组中 3 4 , 3 5 。 欧洲也在c o s t 5 0 1 计划下开发了9 5 c r - m o v n b b ( c o s tb ) 、1 0 5 c r - m o v n b w n ( c o s te ) 和1 2 2 c r m o v n b n ( c o s tf ) 等一系列转子用钢，这些钢 的原型锻件已被用于理化分析、短时和长时性能测试，其中c o s tf 和c o s t e 已应用与欧洲的超超临界机组。除了转子用钢，日本还开发了5 9 3 使用的 汽缸材料 9 5 c r l m o v n b n ( t o s3 0 1 ) 以及更高温度使用的 9 5 c r 0 5 m 0 2 w n b n ( t o s3 0 2 ) 3 19 5 c r 0 5 m 0 2 w n b n b 3 0 c o ( t o s3 0 3 ) 。欧洲相 应的开发了g x 1 2 c r m o w v n b n 9 1 和g x 1 2 c r m o w v n n n l 0 1 1 钢两种铸钢 材料。表1 3 是部分9 1 2 马氏体耐热钢的化学成分。 表l - 3 部分9 0 p 1 2 c r 马氏体耐热钢的化学成分( w t ) t a b l e1 3c h e m i s t r yc o m p o s i t i o no fs o m e9 - 1 2 c rm a r t e n s i t i ch e a t - r e s i s t a n ts t e e l 化学成分 钢号 cs i m nc rm owc o v n bb n o t h e r s t 9 o 1 20 60 4 59 o1 0 h c m 9 m0 0 70 30 4 59 02 0 t 9 10 1 09 01 oo 2 00 0 80 0 5 9 c r n f 6 1 60 ，0 7 9 0 0 51 8o 2 00 0 5 0 0 0 40 0 6 t e m p o l o yf 一9 o 0 69 01 0o 2 50 4 00 0 0 5 e m l 20 1 09 02 0o 3 00 4 0 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 续表1 3 钢号化学成分 cs im nc rm owc ovn bb no t h e r s h t 9 io 2 00 4 o 61 2 01 00 2 5o 5 n i h t 9 0 2 00 4 o 61 2 01 0o 5o 2 5o 5 n i h c m l 20 1 0o - 3o 5 51 2 01 01 0o 2 5 0 0 50 0 3 1 2 c r h c m l 2 ao 1 10 1o 6 01 2 o 0 4 2 oo 2 0 0 0 50 0 0 3o 0 6 1 o c u n f l 20 0 80 2 o 5 01 1 00 22 62 6o 2 0 0 0 70 0 0 4o 0 5 s a v e l 20 1 0o 30 2 01 1 o3 03 0o 2 0 0 0 70 0 40 0 7 1 a 1 2 3 奥氏体耐热钢 奥氏体耐热钢主要用于过热器、再热器，所有奥氏体耐热钢可以看作是 在1 8 c r - 8 n i ( a i s l 3 0 2 ) 基础上发展起来的，分为1 5 c r 、1 8 c r 、2 0 2 5 c r 和高c 卜高n i 系4 类。1 5 c r 系列奥氏体钢尽管强度很高，但是抗腐蚀性能 较差，所以应用较少。目前在普通蒸汽条件下使用的1 8 c r 耐热钢有 t p 3 0 4 h 、t p 3 2 1 h 、t p 3 1 6 h 和t p 3 4 7 h ，其中t p 3 4 7 h 具有最高的强度，通 过热处理使其晶粒细化到8 级以上即得到t p 3 4 7 h f g 细晶粒钢，提高了抗蠕 变性能和抗蒸汽氧化能力，对于提高过热器管的稳定型起着很大的作用，在 国外高参数的超超临界机组上应用广泛。在t p 3 0 4 h 基础上通过添加c u 、 n i 、n 合金元素得到1 8 c r l 0 n i n b t i ( t e m p a l o ya 1 ) 和1 8 c r 9 n i c u n b n ( s u p e r 3 0 4 h ) ，强度得到了提高，经济性很好。2 0 2 5 c r 钢和高c r 高n i 系耐热钢抗腐蚀性能和抗氧化性能都很优异，但是由于其价格相对较高，所 以限制了它们的应用。但是新近开发的2 0 2 5 c r 钢具有优异的高温强度和 相对低廉的成本，包括2 5 c r 2 0 n i n b n ( t p 31o n b n ) ， 2 0 c r 2 5 n i m o n b t i ( n f 7 0 9 ) ， 2 2 c r l5 n i n b n ( t e m p a l o ya 3 ) 和更高强度级别的 2 2 5 c r l8 5 n i w c u n b n ( s a v e2 s ) ，这些钢通过奥氏体稳定元素n 、c u 取代n i 来降低成本。 与其它类型的耐热钢相比，奥氏体型耐热钢具有更高的热强性、抗硫化腐 蚀和抗高温氧化性能，所以它常常用于受高温部位和腐蚀较大的部位。但是奥 氏体型耐热钢也有它的缺点，比如热膨胀系数大、导热性差、抗应力腐蚀能力 低，热疲劳和低周疲劳性能( 特别是厚壁件) 也比不上铁素体钢，在加热和冷 却期间引起较大的热应力，容易发生断裂，降低了使用寿命。此外由于价格昂 哈尔演理工人学t 学硕上学位论文 贵也限制了它的大规模使用。图1 2 是奥氏体钢的发展进程。表1 4 是部分奥 氏体耐热钢的化学成分。 二纠1 8 c r - 8 n i 1 - c 0 0 8 h e a tt r e a t m e n t ( i4 7 ) a i s l 3 0 4 一1 8 c r - 8 n i n b ( 1 0 0 2 0 0 )c h e m i s t r yo p t i m i z a t i o n 7 i 1hg r a d e i 一j io r l f 口、r ：、r k t ： + 0 0 4 0 i o ci c ua d d i t i o n ( 16 8 ) a i s l 3 2 l + n b a i s l 3 0 4 1 18 c r - 8 n i c u n b n l l 18 c r n il i 1 8 c r - 8 n i n b a l s l 3 2 l a i s l 3 4 7 a l s l 3 4 7 + m o a i s l 3 1 6 叫1 8 c r - 8 n i m o 卜 + c r a i s l 3 1 6 ( 8 0 ) 玛2 2 c r - 1 2 n i i 2 5 c r - 2 0 n i l lj 、i 一厶v 1 、i d l 、 a i s l 3 0 9 a i s l31 0 ( 1 4 0 ) 一2 0 c r - 2 5 n i m o n b t 2 1 c r - l 3 2 n i t i a i f _ a l l o y8 0 0 h 一2 2 c r - 1 5 n i n b n 图1 2 奥氏体耐热钢的发展进程 f i g 1 - 2d e v e l o p i n gp r o c e s so f a u s t e n i t i ch e a t r e s i s t a n ts t e e l 表1 4 部分奥氏体耐热钢的化学成分( w t ) t a b l e1 - 4c h e m i s t r yc o m p o s i t i o no fs o m ea u s t e n i t eh e a t r e s i s t a n ts t e e l 化学成分 牌号 cs im nn ic rm owvn b t i bo t h e r s t p 3 0 4 ho 0 8o 61 681 8 s u p e r 3 0 4 h o 1 0o 2o 891 80 4 3 c r , 0 1 n t p 3 2 1 h0 0 80 61 6l o1 8o 5 t e m p a l o y a 一1 o 1 2o 61 61 01 80 10 0 8 t p 3 1 6 h o 0 80 61 61 21 62 5 t p 3 4 7 h o 0 80 61 61 01 80 8 t p 3 4 7 h f g0 0 80 6 1 6 1 0 18 o 8 1 7 1 4 c u m oo 1 2o 5o 71 41 62 o0 40 - 30 0 0 63 c u e a s h e t el2 5 00 1 20 56 o1 01 51 o0 2io 0 6 8 - 哈尔滨理t 人学丁学硕l ：学位论文 续表1 4 化学成分 牌号 cs im nn i c rm owvn bt ibo t h e r s t e m p a l o y a - 2 o 1 20 61 61 41 81 60 2 40 1 0 t p 3 1 0o 0 80 61 62 02 5 t p 31 0 n b no 0 60 41 22 0 2 50 4 5o 2 n n f 7 0 7o 0 8o 51 o3 52 l1 5o 2o 1 a l l o y8 0 0 h 0 0 80 51 23 22 1o 50 4 a l t e m p a l o y a - 3 o 0 50 41 51 52 2o 70 0 0 20 1 5 n n f 7 0 90 1 5o 51 o2 52 01 5o 2o 1 s a v e 2 5o 1 00 11 01 82 31 50 4 5 3 c u ，0 2 n c r 3 0 a0 0 60 3o 25 0 3 02 oo 20 0 3 z r h r 6 wo 0 8 0 4 1 24 32 36 0 o 18 o 0 8 0 0 0 3 从目前世界各国高蒸汽参数发电机组的发展角度来看，电站用耐热钢在研 究开发利用方面的方向和趋势如下【3 6 】： ( 1 ) 利用多元复合强化的原理发展一种低c r 、高蠕变、可焊性好、成本 低的耐热钢来制作6 0 0 以下大型发电机组的后壁件和热交换件，如日本研制 的h c m 2 s ； ( 2 ) 重点发展( 9 1 2 c r ) 多元复合强化耐热钢，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t 9 1 p 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 氏体不锈钢作厚壁件； ( 4 )发展性能优于t 9 1 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使用奥氏体不锈钢作 厚壁件； ( 5 )对于马氏体型耐热钢，以提高材料的蠕变断裂强度为主；对于奥氏 体耐热钢，以降低成本、提高抗蒸汽氧化和腐蚀能力为主，如基于t p 3 0 4 h 开 发的s u p e r 3 0 4 h ； ( 6 )改进型的9 1 2 c r 马氏体钢在抗氧化和热腐蚀能力上始终不如奥氏 体钢，因此，马氏体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 r 以上的高c r 、n i 合金来制造技术先进的燃媒 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 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 最大融腐蚀速率，此时t p 3 0 0 系列不锈钢抗腐蚀能力不足。 1 39 1 2 c r 耐热钢的组织结构和强化机理 高合金含量的固溶强化对提高耐热钢的强度具有一定效果，但是 9 1 2 c r 耐热钢一般采用细小弥散的第二相粒子强化来提高其强度。因为细 小弥散的第二相粒子在提高强度的同时，可起至i j 车t c l 位错、阻碍位错，从而进 一步提高耐热钢强度的作用。虽然各种9 1 2 c r 耐热钢由于含碳量和其它合 金元素含量不同，使材料相变点、热处理后材料的力学性能存在一定差异，但 这些耐热钢一般具有相似的组织结构f 37 1 ，经淬火+ 回火热处理后可以得到典型 的含有高密度位错的板条状马氏体，如图1 3 所示【3 引。 图1 3l j = = 划高温时效的x 2 0 c r m o v l 2 1 耐热钢的显微组织 f i g 1 3m i c r o s t r u c t u r eo fh e a t - r e s i s t a n ts t e e lx 2 0 c r m o v12 1a f t e rl o n g t e r ma g i n ga th i g h t e m p e r a t u r e 从图中可见，在晶界和马氏体板条界上有m 2 3 c 6 型碳化物沉淀，在晶内有 v n b 碳氮化合物m x 、m 2 x ( m 为金属元素，x 为非金属元素c 、n 等) ，起到 了沉淀强化作用。对9 1 2 c r 耐热钢组织结构的研究表明，有多种类型的稳 态和亚稳态碳氮化合物( 如m x 、m 2 x ，m 7 c 3 、m 2 3 c 6 和m 6 c ) l t 妈现在不同材料 中或同一材料不同热处理状态下。细小弥散的m x 或m 2 x 沉淀强化以及马氏 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 体板条界形成稳定的m 2 3 c 6 碳化物是使该类合金耐热具有高蠕变强度的主要原 因 3 9 - 4 1 】。 为了得到完全马氏体组织，材料研究者开发了含c r 量为9 的马氏体钢。 该钢在使用温度高达6 0 0 、1 0 5 h 时，其断裂强度为1 0 0 m p a ，强度和使用水 平接近奥氏体钢。由相图( 图1 4 ) 可以看出，c r 具有缩小奥氏体区的作用。c r 含量在9 左右时，a r 相转变