樓玉民，鄭宏曄

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310008）

超超臨界鍋爐受熱面管新型材料Super304H的性能研究

樓玉民，鄭宏曄

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310008）

為詳細(xì)了解目前超超臨界鍋爐受熱面管大量采用的新型耐熱材料Super304H不銹鋼的性能，對(duì)其開展系列試驗(yàn)，包括不同溫度下的短時(shí)拉伸試驗(yàn)，不同時(shí)效時(shí)間下的拉伸試驗(yàn)、室溫沖擊試驗(yàn)、材料相結(jié)構(gòu)分析、斷口掃描電鏡分析、高溫長(zhǎng)期蠕變斷裂性能試驗(yàn)，服役爐管的力學(xué)性能研究等，得出Super304H耐熱鋼在模擬服役條件下的性能退化情況和組織結(jié)構(gòu)演變規(guī)律。

超超臨界；鍋爐；Super304H；力學(xué)性能；組織結(jié)構(gòu)

0 引言

目前很多超超臨界鍋爐的受熱面管大量采用了新型耐熱材料Super304不銹鋼，如寧海發(fā)電廠5號(hào)鍋爐爐管，北侖發(fā)電廠7號(hào)爐屏式過熱器下8-48號(hào)管、末級(jí)過熱器下19-49號(hào)管、高溫過熱器下18-51號(hào)管等，經(jīng)過一定周期的服役后均出現(xiàn)了明顯的強(qiáng)度增加與塑性下降現(xiàn)象。

為了詳細(xì)地了解Super304H不銹鋼的材料性能，以鍋爐關(guān)鍵承壓部件（如過熱器、再熱器等）用材為對(duì)象，開展一系列模擬發(fā)電廠服役條件的性能試驗(yàn)。選用德國(guó)曼內(nèi)斯曼供貨的Super304H耐熱鋼。研究?jī)?nèi)容包括：20℃，550℃，600℃，650℃，700℃溫度下的短時(shí)力學(xué)性能研究；700℃下，經(jīng)過 500，1 000，2 000，3 000 h時(shí)效后，Super304H材料的拉伸試驗(yàn)、室溫沖擊試驗(yàn)、金相組織以及斷口掃描電鏡分析與透射電鏡分析；深入研究其服役性能及其退化規(guī)律、組織結(jié)構(gòu)演變規(guī)律等問題。

1 材料宏觀試驗(yàn)

1.1 力學(xué)性能試驗(yàn)

隨著溫度增加，Super304H不銹鋼的強(qiáng)度和延性性能都出現(xiàn)了顯著的下降現(xiàn)象，而塑性性能在某個(gè)溫度段（室溫至550℃）表現(xiàn)為下降，但隨著溫度進(jìn)一步升高卻表現(xiàn)出增加現(xiàn)象。

圖1給出了700℃下原始態(tài)（0 h，無時(shí)效）與經(jīng)過500，1 000，2 000，3 000 h時(shí)效后Super304H不銹鋼的拉伸曲線。隨著時(shí)效時(shí)間增加，材料的剛度特性呈現(xiàn)一定的升高，屈服強(qiáng)度趨于增大，但強(qiáng)度極限卻表現(xiàn)為下降特征；而塑性性能和韌性性能總體上隨時(shí)效時(shí)間增加表現(xiàn)出下降現(xiàn)象。

表1 不同溫度下Super304H不銹鋼的力學(xué)性能

圖1 700℃時(shí)不同時(shí)效階段下的拉伸曲線

1.2 沖擊試驗(yàn)

時(shí)效500 h后，沖擊值有明顯下降，之后隨著時(shí)效的增加，沖擊值下降不明顯，如表2所示。

表2 Super304H不同時(shí)效的室溫沖擊值

2 材料微觀試驗(yàn)

2.1 金相組織分析

圖2分別給出了Super304H不銹鋼在700℃溫度經(jīng)過0，500，1 000，2 000，3 000 h時(shí)效后金相組織。從圖中也能看出，500 h時(shí)效后，金相組織有明顯變化，析出物明顯增加，隨著時(shí)效時(shí)間的增加，析出物顆粒數(shù)量增加不明顯。

2.2 典型拉伸斷口的掃描電鏡觀察

圖3—5給出了Super304H不銹鋼在700℃溫度下經(jīng)過0，1 000，3 000 h時(shí)效后的拉伸試樣斷口掃描電子顯微鏡下的觀察。從圖中也能看出，隨著時(shí)效時(shí)間增加，斷口呈現(xiàn)出更顯著的準(zhǔn)解理特征（解理小面+撕裂嶺），表明材料的脆性現(xiàn)象。

圖2 700℃不同時(shí)效金相組織照片

圖3 700℃、無時(shí)效下的拉伸試樣斷口形貌

圖4 700℃、時(shí)效1 000 h后的拉伸試樣斷口形貌

圖5 700℃、時(shí)效3 000 h后的拉伸試樣斷口形貌

2.3 典型樣品的微觀結(jié)構(gòu)觀察

圖6是原始態(tài)Super304H不銹鋼的透射電鏡觀察照片。從圖中能夠發(fā)現(xiàn)：原始態(tài)材料晶粒內(nèi)部和晶界總體均很干凈，偶爾能在晶粒內(nèi)部發(fā)現(xiàn)少量位錯(cuò)以及近球形夾雜物（直徑約200 nm）。從晶粒的衍射花樣可以判斷集體為奧氏體相，未含其他析出相。

圖6 原始態(tài)透射電鏡觀察照片

圖7給出了經(jīng)3 000 h時(shí)效后Super304H不銹鋼的透射電鏡觀察照片。圖中結(jié)果顯示晶界隨處可見大塊的析出相，析出相平均寬度約300 nm，長(zhǎng)度約1 000 nm。從其形態(tài)和衍射花樣可以初步判斷為M23C6的碳化物，且該析出相與奧氏體存在確定的位向關(guān)系。此外在奧氏體晶粒內(nèi)部可以發(fā)現(xiàn)很多沉淀相，其平均直徑約100 nm。結(jié)合形態(tài)和衍射結(jié)果可以推斷應(yīng)該是富銅析出相，且該析出相與奧氏體基體完全共格。很顯然，上述分布的沉淀析出相是導(dǎo)致材料流動(dòng)應(yīng)力（屈服強(qiáng)度）增大的主要原因之一。

圖7 700℃、時(shí)效3 000 h后的透射電鏡觀察照片

3 結(jié)論

通過以上一系列的試驗(yàn)分析及掃描、透射等電子顯微鏡的觀察，對(duì)Super304H不銹鋼的材料性能，可得出以下結(jié)論：

（1）在室溫至700℃溫度范圍內(nèi)，隨著溫度升高，Super304H不銹鋼的屈服強(qiáng)度和強(qiáng)度極限均表現(xiàn)出持續(xù)下降的特征。

（2）在700℃溫度下，Super304H不銹鋼的強(qiáng)度極限、塑性性能和韌性總體上隨時(shí)效增加表現(xiàn)為下降。

（3）時(shí)效500 h后，Super304H不銹鋼沖擊值均有明顯下降，之后隨著時(shí)效的增加，沖擊值下降不明顯。

（4）500 h時(shí)效后，Super304H不銹鋼金相組織有明顯變化，析出物明顯增加，隨著時(shí)效的增加，析出物顆粒數(shù)量增加不明顯。

（5）原始態(tài)Super304H不銹鋼拉伸斷口主要由韌窩構(gòu)成，隨著時(shí)效增加，拉伸斷口呈現(xiàn)出一定的準(zhǔn)解理形貌特征，表明材料高溫時(shí)效后的脆性現(xiàn)象。

（6）原始態(tài)Super304H不銹鋼晶粒內(nèi)部和晶界總體比較干凈，經(jīng)3 000 h時(shí)效后，Super304H材料中晶界有較多大塊析出相，晶粒內(nèi)部有較多細(xì)小的沉淀相和少量較大尺寸的析出物，從形態(tài)和衍射花樣析出相初步判斷為M23C6的碳化物。

[1]劉鴻國(guó)，唐麗英，周榮燦.超超臨界機(jī)組新型不銹鋼Super304H與HR3C運(yùn)行后階段性性能試驗(yàn)研究[G]//中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì).600 MW/1 000 MW超超臨界機(jī)組新型鋼國(guó)產(chǎn)化研討會(huì)論文集.2009.

（本文編輯：陸 瑩）

Performance Research of New-type Super304H Material for Heat Surface Pipe of Ultra-supercritical Boiler

LOU Yuming，ZHENG Hongye
（State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310008，China）

In order to learn the performance of new-type Super304H heat-resisting stainless steel widely used in heat surface pipe of ultra-supercritical units，series of test are carried out，including short-time tension test in different temperatures，tension test in different ageing time，shock test in room temperature，phase structure analysis of materials，fracture analysis by scanning electron microscope，high-temperature longtime creep fracture performance test and mechanical property research of in-service furnace tube，etc.The paper concludes performance degradation and structure evolution rule of Super304H heat-resisting steel in simulated service.

ultra-supercritical；boiler；Super304H；mechanical property；microstructure

TK225

B

1007-1881（2015）05-0039-03

2014-12-30

樓玉民（1971），男，高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)金屬材料的試驗(yàn)研究和失效分析工作。