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T91鋼高溫運行下碳化物粗化行為的研究

萬強1，陳林2，萬金3，羅暢1

(1.武漢大學(xué) 動力與機械學(xué)院，武漢 437000；2.中電投江西核電有限公司，江西九江 332000；

3.廣東拓奇電力技術(shù)發(fā)展有限公司，廣東東莞 523000)

摘要：通過對實際電廠運行的T91鋼進行金相觀察、掃描電子顯微鏡(SEM)分析，從微觀組織變化查看T91鋼長期高溫環(huán)境下的老化狀況，同時對供貨態(tài)的T91鋼進行研究作為對比.在定量金相法的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，得到了T91鋼擴散速度控制的長大動力學(xué)方程.結(jié)果表明：T91鋼經(jīng)過長時間服役后，碳化物顆粒在晶界處發(fā)生聚集，同時顆粒逐漸粗大，使得晶內(nèi)碳化物數(shù)量減少，強化效果降低.

關(guān)鍵詞：T91鋼； 老化； 碳化物粗化； 粗化曲線

收稿日期：2014-04-16修訂日期：2014-06-11

基金項目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項基金資助項目(2014208020202)

作者簡介：萬強(1989-)，男，湖北咸寧人，博士研究生，研究方向為：金屬材料與刀具涂層.電話(Tel.):13296584057；

中圖分類號：

Research on Coarsening Behavior of Carbides in T91 Steel

During High-temperature Services

WANQiang1,CHENLin2,WANJin3,LUOChang1

(1. School of Power and Mechanical Engineering, Wuhan University, Wuhan 437000, China;

2. CPI Jiangxi Nuclear Power Co., Ltd., Jiujiang 332000, Jiangxi Province, China;

3. Guangdong Topkey Power Technical Development Co., Ltd., Dongguan 523000,

Guangdong Province, China)

Abstract：To investigate the aging behavior of T91 steel after long-term high-temperature services, the microstructure of T91 samples taken from an actual power plant was analyzed by optical microscopy (OM) and scanning electron microscopy (SEM), of which the results were compared with that of as-received T91 steel. Moreover, the growth equation of carbides in T91 steel was proposed based on the general growth equation and the data of quantitative metallography. Results show that after a long-term service of T91, the carbide particles gather and get coasening in the grain boundary, resulting in reduced quantity of carbides in grains, and accordingly weakened strengthening effect.

Key words： T91 steel; aging; carbide coarsening; coarsening curve

T91鋼是新型高Cr鐵素體耐熱鋼，加工性能良好，具有較高的抗拉強度、較好的高溫蠕變性能和持久強度，同時抗氧化性能也不錯，因而T91鋼越來越多地被應(yīng)用于超臨界機組鍋爐的過熱器和再熱器[1].但實際應(yīng)用表明T91鋼在高溫高壓條件下服役時間遠不及其設(shè)計壽命，爆管事件屢有發(fā)生.研究表明其性能退化的主要原因在于其已有碳化物粗化及Laves相的析出[2].T91鋼的主要強化相為M23C6碳化物和MX碳氮化合物，這2種碳化物的析出強化作用是T91鋼具有良好性能的重要原因[3].但隨著服役時間的增加，碳化物在基體內(nèi)的分布會發(fā)生改變，同時碳化物顆粒尺寸逐漸增大.Cui等[4]指出回火后的T91鋼中M23C6的尺寸在140 nm左右，而最大的MX相尺寸在50 nm以內(nèi).Cerjak等[5]的研究表明在長期運行過程中MX相尺寸穩(wěn)定，不會發(fā)生明顯長大現(xiàn)象，而M23C6相主要分布于晶界處，易發(fā)生聚集長大，研究還指出M23C6碳化物粗化會消耗基體內(nèi)部主要合金元素，影響析出強化和固溶強化效果，另外當(dāng)碳化物達到一定尺寸后，會成為裂紋源，影響鋼的性能.佐久間健人等[6]對碳化物的Ostwald長大驅(qū)動力公式考慮粒子尺寸分布，得到擴散支配長大公式.利用該公式及已知服役時間，可以推出T91鋼溫度與顆粒尺寸之間的關(guān)系式，得到碳化物粗化方程，因而能很好地利用運行時間、溫度和碳化物顆粒中的2個參數(shù)去預(yù)測另外1個參數(shù)，實現(xiàn)老化表征.

筆者對運行一段時間后的T91鋼管進行取樣，對試樣進行金相觀察、掃描電子顯微鏡(SEM)觀察以及碳化物分析，得到相同運行時間、不同溫度下T91鋼管試樣碳化物的粗化程度，并利用碳化物粗化原理，擬合出碳化物粗化趨勢方程.在此基礎(chǔ)上，得出相應(yīng)的碳化物粗化趨勢曲線，以這一曲線和相應(yīng)的方程來表征T91鋼微觀組織的老化程度.

1試驗材料與方法

試驗材料取自不同電廠實際使用一段時間的T91鋼管，3個試樣具體運行時間和參數(shù)見表1.定義S-0表示原始試樣,S-1-1、S-1-2分別表示1號試樣的向火、背火側(cè)試樣，S-5-1、S-5-2分別表示5號試樣的向火、背火側(cè)試樣.

表1　試樣參數(shù)及試樣編號

從廠家截取原材料后，從3個管子的向火與背火側(cè)分別選取7 mm×10 mm試樣各2個，采用冷鑲嵌方法將一個向火側(cè)試樣和一個背火側(cè)試樣共同鑲制在一個樣品中，做好標(biāo)記.將試樣磨光、拋光之后采用三氯化鐵溶液[2](三氯化鐵5 g、鹽酸25 mL、乙醇25 mL)腐蝕，用Olympus金相顯微鏡取一組試樣向火、背火的內(nèi)外壁不同位置觀察拍照.同時獲取該組試樣的SEM照片，觀察晶界和界內(nèi)析出碳化物的形態(tài)、大小和分布以及定量測量碳化物顆粒直徑.靠近內(nèi)壁選擇清晰的視場拍3幅形貌照片，靠近外壁選擇清晰的視場拍1幅形貌照片，所有照片選擇相同倍數(shù).利用已有的SEM照片，運用專業(yè)統(tǒng)計軟件，獲得碳化物顆粒尺寸.對擴散速度控制的長大動力學(xué)方程進行簡化，代入已有的顆粒尺寸驗證該簡化方程.在驗證之后，利用已有顆粒尺寸，做出碳化物粗化曲線，并在此基礎(chǔ)之上做出T91鋼在更高溫度下使用時的粗化趨勢曲線，表征其高溫使用性能.

2試驗結(jié)果與分析

2.1金相分析結(jié)果

0號和5號試樣的金相照片見圖1.圖1(a)為原始T91鋼供貨狀態(tài)的金相組織，從圖1(a)可以看出，在光學(xué)顯微鏡下原始T91鋼為板條塊和板條束組成的馬氏體，同時在原奧氏體晶界處和晶內(nèi)存在彌散分布的沉淀相.圖1(b)和圖1(c)分別是實際運行時間達到8.5×104h后管道的內(nèi)、外壁金相顯微組織.由圖1(b)和圖1(c)可以看到板條馬氏體的存在，并且晶粒尺寸明顯增大，特別是內(nèi)壁試樣中晶粒尺寸長大最明顯，同時原來彌散分布的碳化物出現(xiàn)位向分散.

(a) S-0

(b) S-5-1

(c) S-5-2

Fig.1Metallographic structure of various samples before and after service

2.2SEM形貌分析

圖2為試樣的SEM照片，圖中白色顆粒為碳化物，形態(tài)與尺寸均清晰可見.從圖2 (e)可知，原始試樣中碳化物顆粒尺寸有大有小，分布彌散均勻，而圖2(a)和圖2(b)顯示碳化物顆粒呈線狀分布，顆粒大部分較大，多為粒狀和棒狀，圖2(e)和圖2(d)中碳化物排布與圖2(b)和圖2(c)中相似，但尺寸較大且更為聚集.圖1(c)中顆粒呈線狀集中分布，顆粒尺寸明顯粗大，呈棒狀，且大顆粒的周圍伴隨有小顆粒.

從圖2各幅小圖的對比可以看出服役之后碳化物的變化趨勢.T91鋼的優(yōu)良性能在很大程度上依靠析出的碳氮化物強化相[3]，但是長時間服役之后碳化物顆粒會發(fā)生長大聚集，文獻[4]和文獻[5]中顯示T91鋼中碳氮化物主要有M23C6和MX 2類，其中M23C6碳化物顆粒在長時間服役后易于長大聚集，導(dǎo)致T91鋼高溫性能下降.由圖2可知，碳化物的變化與文獻[3]中一致，顆粒尺寸增大，且在晶界和板條界面處聚集，使得晶粒內(nèi)部的碳化物顆粒減少.

(a) S-1-1

(b) S-1-2

(c)S-5-1

(d) S-5-2

(e)S-0

對比圖2各幅小圖可知，與背火側(cè)試樣相比，同一管上的向火側(cè)試樣碳化物聚集粗大狀態(tài)嚴重，且長時間服役的5號試樣比1號試樣的聚集狀態(tài)更為明顯，表明碳化物顆粒的長大與時間、溫度成正相關(guān)關(guān)系.

2.3碳化物尺寸定量分析

采用Image J軟件進行碳化物的定量分析，得到各試樣中碳化物的尺寸.取5號管材的向火側(cè)、背火側(cè)外壁試樣以及1號管材向火側(cè)外壁試樣，測量其碳化物的平均直徑(結(jié)果見表2)，并以此作為定量金相法[6-7]進行壽命評估的數(shù)據(jù).

表2試樣中碳化物顆粒的平均直徑

Tab.2Average diameter of carbide particles in various samples

試樣編號運行后平均直徑/μm原始平均直徑/μm服役時間/hS-00.2030.2030S-5-20.2980.2038.5×104S-5-10.3510.2038.5×104S-1-10.2340.2036.0×104

由表2可知，長期服役后試樣碳化物顆粒尺寸變化顯著，能較明顯地反映出材料微觀組織的老化，所以可利用S-5-1、S-5-2試樣來得到碳化物粗化趨勢方程，并以此來表征T91鋼的微觀組織老化程度.

2.4碳化物粗化趨勢方程

文獻[7]中表明鋼中碳化物粗化過程符合以擴散速度控制的長大動力學(xué)方程，對該方程進行簡化，得到式(1)：

(1)

式中：d0為原始碳化物顆粒平均直徑；dt為粗化一定時間的碳化物顆粒平均直徑；γ為碳化物顆粒與基體相的相間界面能；Vm為摩爾體積；c為固溶體濃度；D為擴散系數(shù)；T為熱力學(xué)溫度；η為與碳化物性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)；t為碳化物顆粒長大至所需尺寸的時間.

由式(1)可以看出，碳化物顆粒平均直徑的三次方之差與粗化時間成線性關(guān)系.由式(1)化簡得：

(2)

則該T91鋼的碳化物粗化趨勢方程為：

(3)

2.5碳化物粗化趨勢方程驗證

在已知碳化物粗化方程的基礎(chǔ)上，可以利用其他實際運行的T91鋼管試樣來檢驗式(3)的準確性.試驗采用S-1-1試樣，利用定量金相法計算其使用時間.

S-1-1試樣測量結(jié)果為碳化物顆粒平均直徑0.234 μm，原始碳化物顆粒平均直徑為0.203 μm.運行設(shè)定溫度526 ℃，利用式(3)計算得運行時間為5.984×104h，比實際運行的6.0×104h少160 h，誤差在10%以內(nèi)，可以接受.由以上分析可知，利用式(3)可有效地表征碳化物的粗化規(guī)律，并以此來估計材料的使用時間，可進一步估計材料的剩余壽命.

2.6碳化物長大粗化趨勢曲線擬合

利用碳化物粗化方程，預(yù)測不同溫度和運行時間下碳化物顆粒的直徑，結(jié)果見表3.

表3不同溫度和運行時間下碳化物顆粒的直徑

Tab.3Size forecast of carbide particles under different temperature and operation time

μm

依據(jù)表3中數(shù)據(jù)，利用Origin軟件模擬可得其長大趨勢曲線(見圖3).由表3可知，在848 K下運行0.5×104h，利用模擬方程進行計算發(fā)現(xiàn)，碳化物顆粒平均直徑僅為110.9 nm，此尺寸比供貨狀態(tài)下還小，因而不具備實際指導(dǎo)意義，可見該碳化物粗化方程具有一定的使用范圍和條件.圖3中溫度為973 K時的曲線表明，在高溫段，T91鋼碳化物長大速度很快，因而在使用時應(yīng)盡量避免短時過熱情況，否則會使T91鋼的性能急劇下降，使用壽命驟減.

圖3　碳化物長大趨勢圖

3結(jié)論

(1) T91鋼長時間服役后的顯微組織發(fā)生明顯變化，某些碳化物顆粒在晶界處發(fā)生聚集，同時顆粒逐漸粗大，使得晶內(nèi)碳化物數(shù)量減少，強化效果降低.

(2) S-1-1相對S-5-1試樣碳化物尺寸較小,5號試樣向火側(cè)碳化物相對背火側(cè)粗化更為明顯,表明碳化物顆粒在晶界處聚集和粗化狀態(tài)與時間和溫度呈正相關(guān)關(guān)系.

(3) 在定量金相法的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，得到T91鋼擴散速度控制的長大動力學(xué)方程,利用該方程計算出不同溫度和時間下T91鋼服役后碳化物顆粒的直徑，并以此表征碳化物粗化趨勢.

參考文獻：

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