耐热钢的开发及应用

1、目录 TOC o 1-5 h z 摘要1关键词1正文1 HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 高铭耐热钢的发展历程1 HYPERLINK l bookmark7 o Current Document 高铭耐热钢的组织结构和强化机理2 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 高铭耐热钢的性能退化和失效3结语5 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 参考文献6高铬耐热钢的开发摘 要:高铭耐热合金钢是典型的马氏体钢以其突出的抗蠕变性能、良好的抗腐 蚀和高温抗氧化能力在

2、热电厂得到广泛的应用。本文从材料的发展、性能、组织结构和 应用实践等多个侧面反映了高铭耐热合金钢目前研究和应用的概况及发展趋势。关键词：高铭耐热合金钢显微组织;性能；马氏体 失效正文：众所周知通过提高蒸汽的温度和压力来提高热效率是现代热电厂的发展方 向。为满足这一实际需要多年来 冶金和电力行业一直致力于新型耐热钢的研究开发 特别是铭含量为9 % - 12 %的高铭耐热钢的发展。该系列耐热钢以其很高的强韧性、 抗蠕变性能以及良好的抗高温氧化和抗腐蚀性能而得到关注并成为热电厂中主要设 备用材的主选或更新换代材料1高铬耐热钢的发展历程高铭耐热钢已有近百年的历史。含铬12 %及少量钼、钒等元素的耐热合

3、金钢因其 具有很高的蠕变强度最早用作喷气式发动机材料。但是由于马氏体相变导致成的焊接 脆断问题直到50年代中期才得到解决所以这种耐热钢50年代后才开始应用于热电厂 的蒸汽管道。多年来，电力行业不断通过提高蒸汽温度和压力来进一步提高热效率这势必导 致由传统材料制造的主蒸汽管线、集箱等主要部件管道壁厚的增加。但管道壁厚的增加 不仅给焊接、弯管制作及热处理等带来困难而且限制了运行期间生产操作的灵活性 如对开车、停车过程中最大温度梯度的限定要求更加严格。但是如果不增加管道的壁厚 就要求所选用的管材有更高的蠕变强度、良好的抗氧化性和加工工艺性能等。所为 满足电力工业发展的需要开发新型的耐热钢已成为冶金行

4、业面临的任务之一。80年代前后，国际上以现有的耐热钢为基础通过对材料的性能和显微组织进行 深入的实验研究了解材料的强韧化机理及各种合金元素的作用、材料性能退化和相关 显微结构的变化以及工艺性能等。明确现有钢种在应用中存在的问题和原因通过调整 材料的合金元素组分、添加微量合金元素等开发了一系列新型的高铬9 % 12 %）马 氏体耐热钢,用于制造电厂的主要部件，以适应使用过高温度的要求。新型高铭耐热钢的应用不仅节约了能源提高了电厂的效益而且减少了20 %的 CO2排放量有利于环境保护。新材料除了蠕变强度、强韧性、断裂韧性和抗疲劳能力 等得到提高以外而且焊接等工艺性能也得到了明显地改善因此延长了电厂

5、主要设备 的大修周期、缩短了检修时间并提高了安全运行的可靠使电厂的运行成本降低、效 率提高。2高铬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的效果旦高铭耐热钢一般采 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材料强 度的同时 可起到钉扎位错、阻碍位错运动从而进一步提高耐热钢强度的作用。虽然 各种高铭耐热钢由于碳含量的不同使材料相变点、热处理后材料的力学性能存在一定 的差异,但这些耐热钢一般具有相似的组织结构经淬火+回火处理后可得到典型的含 有高密度位错的板条马氏体如图1所示。从图中可见在晶界和马氏体板条界上有碳 化物沉淀在品内有弥散的碳

6、氮化合物为金属元耕为非金属元素2、N等）起到沉淀 强化作图1长期高温失效的X20CrMoV121 1耐热钢的显微组织用。对高铭耐热钢组织结构的研究结果表明有多种类型的稳态和亚稳态碳化物出 现在不同的材料中或同一材料不同的热处理条件下。细小弥散MX或M2X沉淀强 化以及马氏体板条界形成稳定S的M23C6碳化物是使该类合金钢具有高蠕变强度的主要 原因。为了得到完全马氏体组织最近开发了铭含量为9 %的马氏体钢。该钢的使用温度高达00 e ,105 h时，其断裂强度为100 MPa, 其强度和使用水平已接近奥氏体钢。由相图图2）可以看出，铭具有缩小奥氏体区的作 用。铭含量在9 %左右时APCffi转变

7、温度区间较窄能够完全奥氏体化。而铭含量超 过12 %时,APC相转变温度区间很宽很难完全奥氏体化不易得到完全马氏体组织。铭含量为9 %的新型耐热合金钢P91PT91、P92PT 92、E911等，由于对主要的合金 元素C、Cr、Mo和Mn等成分比例进行了调整加入了可、Nb、B和N等微量元素 并 对杂质元素如P、S、Si和Al等的含量作出严格的限制使材料的性能达到了最佳 化。研究结果表明碳含量的降低虽然对强度有影响但有利于加工和焊接添加微量元 素W、Nb和V有利于生成M2X MX等二次强化沉淀相提高材料的强度。另外B具 有强化晶界的作用添加一定含量的氮对材料的蠕变强度明显有利。研究91PT91钢

8、的 性能和组织的结果表明增加微量元素是提高材料蠕变强度的关键P92PT92和E911 钢与P91PT 91钢的合金含量相近只是钨含量增加了1 % ,但材料的蠕变强度得到了明 显的改善。这是因为钨具有显著的固溶强化作用另外，钨的添加，降低了碳化物的粗化速率同时有助于改善材料的焊接性能。各种高铭耐热钢由于化学成分的差异其显微组织也有所不同。不少人对显微结 构进行了比较研究认为铭含量为 12 %的耐热钢经淬火+回火后呈现典型的马氏体组 织，但含有一定量的铁素体所以被称为马氏体铁素体钢。钢中由于添加了微量元Nb 和N,除基体位错密度有所提高、主要二次沉淀相分布于晶界夕晶界内还有富含Nb或 V的M2X及

9、MX碳氮化物沉淀此现象被认为是该钢相对于钢蠕变强度明显提高的主要 原因。P92PT 92钢和E911钢中增加了1 %的W和少量的8后，由于前面提到的原因材 料的蠕变强度得到进一步提高。3高铬耐热钢的性能退化和失效数十年来 高铭耐热钢广泛应用于热电厂的高温高压蒸汽管线及其它高温部件。由 于材料长期处于高温、高压等恶劣环境条件下材料性能退化和失效是不可避免的。热电厂因材料失效造成的许多事故通常是因制造阶段或运行过程中违反相关规 程引起的，而且铭含量为 12 %左右的耐热钢部件由于性能的特殊性更容易出现问题。损 伤原因的分析结果表明都是因为制造过程中热处理不当引起的。鉴于相转变的特点 X20钢的高含

10、铭量使其蠕变强度对热处理条件十分敏感不当的热处理或在热处理过程 中不严格执行工艺制度均会显著降低材料的蠕变强度。实验研究结果表明热处理不 当得到的组织为非完全马氏体组织晶粒粗大在固溶处理时M23C6未溶解,M23。任求 化严重，易于形成D-Fe和A-Fe,从而显著影响材料的蠕变强度。需要强调的是经不当 的热处理后材料的力学性能一般仍能满足相关的标准要求只有对材料进行显微组织分析才能发现。同样如果P91PT91钢的热处理不当也会致 使材料失效。高铭耐热钢主蒸汽管道经长期运行后材质会发生一定的损伤所表现的特征及性 能的退化与材料的铭含量有关。总的来看这些材料经长期高温使用后常温下会出现 不同程度的

11、脆化现象。由于成分和热处理工艺的不同各种铭含量的耐热钢性能的劣化 程度及相应的显微组织退化程度也有一定的差异。相应的组织退化表现为因位错的滑移 或攀移而构成的发达的亚结构如图3所示。铭含量为 12 %的耐热钢的脆化现象可能 与有害元素在晶界的偏聚有关诸如P、Sn和人、等在晶界上的偏聚均会降低晶界的结合 强度。值得注意的是由于存在这些现象电力行业常规采用的硬度检查法对该材料是 不适用的。高铭耐热钢经长期高温服役后材料的力学性能会发生不同程度的退化相 应的显微组织一般表现为位错密度下降第二相碳化物粗化。显微结构方面最明显的变 化是不稳定的细小弥散的沉淀强化柚X、M2 X碳氮化合物发生溶解品界碳化物

12、粗化 M23C6中铭元素富集。图3长期高温失效的X20CrMoV121 1耐热钢的亚结构显微组织的观察结果表明在长期的高温时效条件下碳化物粗化或球化、细小弥 散的强化相溶解或向其它结构的碳化物转化、基体中的合金元素在一定程度上产生贫化 以及杂质元素弱化晶界等共同作用会造成材料蠕变强度明显下降缩短其使用寿命。4结语高铭耐热合金钢以其特有的高温性能引起广泛关注。经淬火回火得到的马氏体 组织、合金碳化物M23 C6在晶界沉淀的稳定结构以及其它细小弥散相的强化作用使该 系列耐热钢具有很好的强韧性、较高的蠕变强度及良好的抗高温氧化性在电力行业已 成为主要设备不可替代的材料。随着现代化热电厂的发展和技术更

13、溯追求热效率有 不断提高蒸汽温度和压力的趋势从而使该系列耐热钢的应用越来越广泛。另外该系 列耐热钢组织结构的特点决定了它在加工和使用方面的特殊性对此需要在材料的选 用和相关设备的运行中给予高度重视。参考文献：中国科学 E, 1997, 1( 27) : 23-27.韩静涛,赵钢，曹起骤20MnMo钢修复现象的发现及其金属组织的变值.金 属学报,1996, 32( 7) : 723-729.韦东滨,韩静漆谢建新,等.热塑性变形条件下钢内部裂纹愈合的实验研面. 金属学报,2000, 36( 6) : 622-625.韦东滨,韩静涛,谢建新，等.真空环境中钢中裂纹的高温愈合门金属学报2000, 36( 7) : 713-717.高克玮,乔利杰褚武杨.Fe单品中裂纹愈合过程中flJTEM原位观察J.金属学 报,2001, 37( 2) : 118-120.徐永东，张文兴柴东朗.材料裂纹型损伤愈合过程观测J.宇航材料工艺2001, 3: 37- 41.Meyers M A, Witman C L. Eff ect of Met allurgical