周斌，高振桓，李清松，范華（東方汽輪機有限公司長壽命高溫材料國家重點實驗室，四川德陽，618000）

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超超臨界汽輪機轉(zhuǎn)子FB2材料性能及蠕變組織演化規(guī)律研究

周斌，高振桓，李清松，范華
（東方汽輪機有限公司長壽命高溫材料國家重點實驗室，四川德陽，618000）

摘要：隨著國內(nèi)外9-10%Cr鐵素體-馬氏體鋼不斷發(fā)展，25 MPa/600℃/600℃型超超臨界機組已日趨成熟，適用于更高參數(shù)機組的材料仍在持續(xù)不斷地開發(fā)。在歐洲COST522研發(fā)計劃中開發(fā)出來的在原9-10%Cr鋼的基礎(chǔ)上添加Co和B元素，同時去掉W，得到的新鐵素體不銹鋼COST FB2在620℃下100 000 h的持久強度≥100 MPa。文章通過對FB2材料的性能及長時蠕變時效后微觀組織的研究，確認(rèn)其適用于公司620℃超超臨界火電站高中壓轉(zhuǎn)子。

關(guān)鍵詞：9-10%Cr，F(xiàn)B2，COST522，性能，蠕變，轉(zhuǎn)子

0 引言

世界范圍內(nèi)，能源行業(yè)都面臨著日益嚴(yán)峻的環(huán)境問題帶來的巨大壓力。減少溫室氣體的排放已經(jīng)成為世界各國關(guān)注的焦點，我國作為能源大國扮演著極其重要的角色。目前我國一次能源仍然以煤為主且較長時間內(nèi)不會改變。發(fā)展清潔高效的發(fā)電設(shè)備，追求更高的蒸汽溫度與壓力，減少溫室氣體排放將是我國應(yīng)對環(huán)境問題的重要措施。

據(jù)測算，主蒸汽溫度每提高10℃，熱效率可相對提高0.25%～0.30%，再熱蒸汽每提高10℃，熱效率可相對提高0.15%～0.2%。而當(dāng)蒸汽溫度從600℃提高到650℃時，將減少8%～10%的CO2排放[1]。20世紀(jì)60年代初，12CrMoV類型的鐵素體/馬氏體鋼種因其優(yōu)秀的高溫力學(xué)性能開始被使用[2]。并通過持續(xù)的改進發(fā)展（例如，COST項目），通過平衡合金成分中的單個元素，持久斷裂強度得到了穩(wěn)定的提升。開發(fā)出很多成熟的9-12%Cr不銹鋼，例如歐洲的COST E、日本日立的KT5916等。這些耐熱鋼也都用在了25～30 MPa/600℃/600℃的超超臨界機組轉(zhuǎn)子上。隨著再熱蒸汽溫度提升到620℃，對不銹鋼轉(zhuǎn)子提出了更高的長時蠕變強度、抗氧化性和工藝性能，日本的TOS107、TOS110系列[3]；歐洲開發(fā)的COST FB2 及X12CrMoWVNbN10-1-1相繼出現(xiàn)。本文將著重探討FB2材料的性能特征及長時蠕變后微觀組織的變化規(guī)律，以確定是否可以用于公司620℃超超臨界機組高中壓轉(zhuǎn)子。

1 轉(zhuǎn)子選材

公司根據(jù)多年超超臨界機組運行情況對轉(zhuǎn)子的性能要求，結(jié)合收集的資料，在國外類似鋼種的基礎(chǔ)上以計算機模擬軟件對合金成分進行熱力學(xué)及材料動力學(xué)計算，對合金的組織穩(wěn)定性、第二相類型及有害相析出進行模擬，初步確定了轉(zhuǎn)子的合金成分，再通過工藝試驗對篩選出來合金成分的材料進行性能評定，得到符合要求的性能后，確定擬選用材料的合金范圍及性能要求，并編制相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范采購尺寸較大的試驗鍛件，進行解剖分析。根據(jù)試驗結(jié)果確認(rèn)材料是否可行，并對材料成分及性能等技術(shù)要求進行優(yōu)化修改，最終得到適合公司用的620℃大功率超超臨界機組高中壓轉(zhuǎn)子用材料，并形成采購技術(shù)規(guī)范。鍛件的主要解剖試驗結(jié)果如下。

2 轉(zhuǎn)子材料化學(xué)成分

歐洲9-10%Cr不銹鋼的研發(fā)均來源于COST項目，在COST501中通過添加1.5%Mo或1%Mo與1%W混合，增加蠕變強度的同時改善了材料的脆性和可焊性問題[2]，COST501得到幾種性能優(yōu)異的不銹鋼COST B、E、F，在COST522中通過添加Co抑制δ鐵素體的析出、同時增加B和N元素改善材料的強度并穩(wěn)定M23C6碳化物[4]，并適當(dāng)降低Cr含量,Cr鐵素體鋼含量過高會因促進鋼種馬氏體組織軟化而損壞材料的持久蠕變強度[5]。通過對材料進行3萬小時以上的高溫持久試驗，確定620℃10萬小時持久強度≥100 MPa的新鋼種COST FB2，在COST536項目進一步優(yōu)化B和N元素的比例，控制BN數(shù)量，在維持鍛件組織穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上改善材料的韌性。鍛件與公司600℃超超機組高中壓轉(zhuǎn)子用材COST E、KT5916鐵素體馬氏體不銹鋼主要成分如表1所示。

表1　9-10%Cr鐵素體不銹鋼轉(zhuǎn)子材料主要化學(xué)成分　wt%

3 轉(zhuǎn)子材料制造工藝

因為是轉(zhuǎn)子材料，為保證均勻致密的顯微組織，以及避免過大的成分偏析和過多的非金屬夾雜物，F(xiàn)B2鋼錠通常選擇在電爐冶煉及爐外精煉后進行一次電渣重熔。因為材料中添加了B元素，在鍛造過程中原始晶粒粗大，鍛造完成后鍛件通常會進行一次1 070℃左右的高溫正火進行馬氏體組織轉(zhuǎn)變的同時完成細(xì)化組織晶粒，然后再進行一次足夠長時間的700℃回火，保證珠光體轉(zhuǎn)變獲得鐵素體加碳化物的致密組織[4]；FB2轉(zhuǎn)子鋼的性能熱處理工藝如圖1所示。

圖1　FB2性能熱處理工藝

FB2性能熱處理包括1次淬火和2次回火，淬火溫度不能選擇過高以防止生成δ鐵素體；第1次回火是對淬火轉(zhuǎn)變形成的馬氏體進行回火，并使殘余奧氏體在回火冷卻過程中轉(zhuǎn)變成為馬氏體[4]；第2次回火則是對第1次回火形成的馬氏體以及對整個組織的1個穩(wěn)定化處理過程。經(jīng)上述熱處理工藝后的顯微組織如圖2所示，由圖可知，材料為100%馬氏體組織，晶粒度粗大約為ASTM中No.0級。

圖2　FB2性能熱處理后顯微組織形貌

4 性能特征評價

作為620℃等級超超臨界用高中壓轉(zhuǎn)子備選材料，因其高溫高壓的工況環(huán)境，至少應(yīng)具備以下幾個方面的性能特征：

（1）優(yōu)良的鑄造、鍛造性能；

（2）具有較高的熱導(dǎo)率和較小的膨脹系數(shù)；

（3）具有較高的韌性、強度、沖擊韌性以及疲勞強度；

（4）620℃下10萬小時的持久強度達到100 MPa。

針對這部分特征，對FB2材料進行相應(yīng)的試驗以評價其性能特征。試驗用鍛件規(guī)格為φ 500 mm×1 000 mm，其形貌如圖3所示。

圖3　FB2鍛件宏觀形貌

4.1 物理性能評價

通過測試，F(xiàn)B2的熱導(dǎo)率和膨脹系數(shù)如表2所示。

從表中的試驗結(jié)果可以看出，F(xiàn)B2的線膨脹系數(shù)以及導(dǎo)熱系數(shù)與COST E鋼非常相近，相比鎳基合金低熱導(dǎo)率和大線膨脹系數(shù)，F(xiàn)B2材料的物理性能良好。

表2　FB2物理性能

4.2 常規(guī)力學(xué)性能

鍛件經(jīng)超聲波探傷，其整個鍛件滿足公司超超臨界機組高中壓轉(zhuǎn)子的驗收要求，在鍛棒上取樣，為綜合評價鍛件的熱處理性能，試驗用料截取了表面、1/2半徑處及心部3個位置。

從圖4可以看出，鍛件表面硬度均勻性好，在260～280 HB之間。從圖5和圖6可看到，F(xiàn)B2材料的性能熱處理淬透性較好，從鍛件表面到心部強度基本一致，伸長率和斷面收縮率從表面到心部呈下降趨勢；沖擊功稍微降低，但心部FATT50增長明顯，說明FB2材料塑韌性隨著距離表面的距離逐漸變差，這也與鐵素體/馬氏體不銹鋼的一般鍛造及熱處理工藝規(guī)律相符。

圖4　鍛件表面本體硬度結(jié)果

圖5　FB2室溫拉伸性能

圖6　FB2室溫沖擊性能

從圖7的屈服強度-溫度關(guān)系曲線可看出，馬氏體不銹鋼材料的高溫屈服強度均高于Cr-Mo-V鋼，而FB2的高溫強度略低于COST E，這是因為COST E鋼種含有更高的N和W元素，N能有效提高材料的短期強度，而W元素通過固溶強化促進M23C6的生成[6]。

圖7　FB2屈服強度與溫度關(guān)系曲線

4.3 疲勞性能

圖8　FB2鍛件室溫Δεf-Nf關(guān)系曲線

圖9　FB2鍛件在620℃下Δεf-Nf關(guān)系曲線

作為汽輪機轉(zhuǎn)子材料，在其壽命內(nèi)會經(jīng)過多次的啟動、停機，在這種狀態(tài)下材料會發(fā)生較大交變應(yīng)力幅值下的低周疲勞，同時汽輪機在工況運行條件下，自身重力及葉片與自轉(zhuǎn)形成的離心力以及長時間處于高溫條件下的熱應(yīng)力都會讓轉(zhuǎn)子長時間保持在高周疲勞條件下，材料的疲勞性能對機組的安全與壽命評估具有重要的意義。FB2材料低周疲勞性能見圖8、圖9。

對于FB2的高周疲勞性能，進行了室溫以及620℃下的高周疲勞極限，為了將其與工程應(yīng)用中疲勞強度設(shè)計相聯(lián)系，繪制了Goodman關(guān)系曲線，見圖10。可以看出，F(xiàn)B2材料的疲勞極限與疲勞應(yīng)力幅及材料性能呈現(xiàn)出Gerber拋物線的關(guān)系。

圖10　FB2平均應(yīng)力對疲勞壽命的影響

通過4.1～4.3節(jié)的試驗可看出，F(xiàn)B2能滿足超超臨界轉(zhuǎn)子工況的較高韌性、強度、沖擊韌性以及疲勞強度。

4.4 高溫長時蠕變性能

FB2的高溫持久L-M曲線如圖11所示，可以看到，在高應(yīng)力短時區(qū)域，COST E的持久強度仍然略高于FB2，但當(dāng)應(yīng)力降低到200 MPa及以下時，F(xiàn)B2的持久強度更高，而且這種趨勢隨著應(yīng)力的降低進一步擴大，首先，F(xiàn)B2里添加了B元素，B元素固溶于材料基體、晶界或亞晶界，能夠抑制M23C6碳化物粗化，提高材料的持久性能，在COST536中，Abe&Co-workers認(rèn)為，B在含N鋼中形成的BN會影響材料的持久性能[7]，應(yīng)將B含量控制在適當(dāng)范圍內(nèi)。

圖11　FB2高溫持久強度L-M關(guān)系曲線

圖12　FB2穩(wěn)態(tài)蠕變Monkman-Grant關(guān)系曲線及應(yīng)力壽命等溫曲線

圖13　FB2在620℃下不同應(yīng)力-穩(wěn)態(tài)蠕變速率曲線

從圖12可看出，F(xiàn)B2的穩(wěn)態(tài)蠕變速率與斷裂時間均非常符合Monkman-Grant關(guān)系，且在等溫持久曲線上，接近3萬小時的試驗數(shù)據(jù)顯示FB2持久性能沒有明顯拐點，數(shù)據(jù)可以有效地進行更長時間外推。從圖13可以看到，F(xiàn)B2在高溫下的穩(wěn)態(tài)蠕變速率隨應(yīng)力的增加而增加，且當(dāng)應(yīng)力超過150 MPa后，增加非常快，持久壽命大大降低。

5 長時蠕變時效組織演化

對FB2鋼在650℃下100 MPa及180 MPa斷裂后的樣品進行TEM分析，蠕變斷裂時間分別為20 262 h和269 h。透射電子顯微鏡（TEM）分析所用的試樣，首先將樣品切割至0.5 mm，機械減薄至50 μm以下，在-30℃下采用5%高氯酸酒精進行雙噴。用FEI Tecnai G2 20型透射電子顯微鏡觀察其顯微組織。

蠕變269 h后的組織如圖14所示。

圖14　650℃蠕變269 h后的組織

其基體組織主要含M23C6及MX相，并未觀察到laves相析出，這是由于laves相熔點較低，母材中的laves相經(jīng)高溫淬火處理已全部溶解，而laves形核亦需要一定的時間。如圖14(a)、14(c)所示，M23C6相主要分布在板條界，在板條內(nèi)部也有析出，由圖14(a)、14(b)可知，板條內(nèi)及板條界面上M23C6相尺寸主要分布在80～100 nm。圖14(b)、14 (d)顯示MX相分布于板條界面及板條內(nèi)，MX相主要呈球形，板條界上析出較少，主要在板條內(nèi)部析出，尺寸10～50 nm之間。圖14(c)顯示在板條界上M23C6碳化物釘扎作用下，在板條內(nèi)部形成了密集的位錯網(wǎng)絡(luò)，這些位錯網(wǎng)對自由位錯的運動產(chǎn)生阻力，對蠕變強度的提高產(chǎn)生有利影響，可見蠕變初期M23C6碳化物對蠕變抗力提升有重要影響。

蠕變20 262 h后的組織如圖15所示。

圖15　650℃蠕變20 262 h后的組織

蠕變20 262 h后，圖15(c)顯示依然保留了板條狀的組織，但在晶界及板條界面上有明顯的laves相存在，由于含有較高含量的Mo元素，通過EDS能譜分析，較易與M23C6區(qū)分開，F(xiàn)B2鋼中不含W元素，laves相為Fe2Mo型，從圖15(b)、15(c)中明顯可以看到形狀不規(guī)則的laves相分布在板條界上，且尺寸遠大于M23C6碳化物。關(guān)于laves相的形核，有報道指出laves相可依附于M23C6碳化物析出，該機制認(rèn)為在富Cr碳化物周圍有相對濃度較高的Mo元素，有利于laves相在此處形核[8]。同時也有報道指出laves相形成元素Mo、W等擴散至晶界，在界面處單獨形成laves相[9]，以上均在觀察中發(fā)現(xiàn)，如圖15(b)中所示laves相與M23C6碳化物鄰接，而圖15(c)中所示laves相附近未見M23C6碳化物。如上所述，在650℃蠕變269 h后，未觀察到laves相，而蠕變20 262 h后laves相尺寸明顯大于M23C6碳化物，這說明laves相有著更快的熟化速度，但也可見其不像M23C6碳化物一樣較容易形核。laves相的形核過程中可能需要克服一些壁壘，尤其是成分上的，只有當(dāng)Mo元素在界面處聚集到一定的濃度后才能克服成分壁壘從而形核。一旦形核完畢，界面處的Mo元素被消耗，這將造成一定的濃度梯度，進一步加快Mo向界面處的擴散，同時界面也將成為Mo元素的快速擴散通道，導(dǎo)致laves相快速長大。圖15(d)顯示在晶界處的MX相，該相尺寸相比蠕變269 h后有所增加，一般認(rèn)為該相比較穩(wěn)定不易長大，但含量不高，對蠕變性能的影響不如M23C6碳化物大。

圖16　M23C6在650℃蠕變269 h和20 262 h板條內(nèi)及板條界的尺寸分布頻率

由圖16(a)、16(b)可知，板條內(nèi)及板條界面上M23C6相尺寸主要分布在80～100 nm。圖16(c)、16(d)板條內(nèi)及板條界面上M23C6相尺寸主要分布在90～110 nm，與蠕變269 h后的平均尺寸相比，并無明顯增加，這說明M23C6相的熟化速度相對較慢，尺寸在蠕變2萬小時后能夠基本保持無明顯增加，是保持FB2在高溫下具有良好蠕變性能的重要析出相。

圖17　蠕變后各種析出相的平均尺寸及尺寸范圍

laves相的尺寸由圖17可知，在蠕變20 262 h后，可長大至0.5～1.35 μm，該相的強化作用消失殆盡，由于消耗了大量的Mo元素，使得固溶強化效果明顯減弱，同時較大的析出相也降低了FB2鋼的沖擊性能，而且在界面處也容易成為蠕變空洞的最先萌生處，對長期工作的轉(zhuǎn)子尤為不利。

6 結(jié)論

（1）FB2大截面鍛件淬透性較好，力學(xué)性能從表面至心部略有降低；

（2）由于N含量較低且不含元素W，F(xiàn)B2室溫力學(xué)性能及高溫短時拉伸性能比COST E低；

（3）B元素的加入盡管能抑制M23C6碳化物粗化，但其在含N鋼中形成的BN也會損壞材料的蠕變強度，應(yīng)嚴(yán)格控制B和N的比例；

（4）Co元素的加入一定程度上減少了δ鐵素體析出的風(fēng)險，且提高了材料的持久強度，F(xiàn)B2材料620℃、10萬小時持久強度≥100 MPa；

（5）M23C6在650℃蠕變20 262 h后，析出相顆粒尺寸變化不大，是保證FB2鋼在長時時效后具有良好蠕變抗力的重要第二相；

（6）laves相在650℃蠕變20 262 h后，熟化速度遠高于M23C6，其尺寸已熟化至0.5～1.35 μm，消耗了大量固溶元素Mo，對蠕變抗力有不利影響。

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Property and Microstructural Evolution of FB2 Used for Rotor of Ultra-supercritical Steam Turbine

Zhou Bin，Gao Zhenhuan，Li Qingsong，F(xiàn)an Hua
（State Key Laboratory of Long-life High Temperature Materials Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan，618000）

Abstract:With the development of the 9-10%Cr ferritic/martensitic steel，the ultra-supercritical fossil fired steam power plant which parameter reached 25 MPa/600℃/600℃has beening mature.The material is still researched to apply the higher parameter steam tur?bine.In Europe，a new steel named FB2 has been obtained through adding Co & B and removing W based on the general 9-10%Cr fer?ritic/martensitic steel by the COST522 plan.The 100 000 hour creep rupture strength of FB2 at the 620℃shall be exceed 100 MPa.This paper will discuss the property of FB2 steel and research the microstructure after the long time creep test.It’s sure that this materi?al can be used for the rotor of the ultra-supercritical steam turbine at 620℃by our company.

Key words:9-10%Cr，F(xiàn)B2，COST522，property，creep，rotor

作者簡介：周斌（1984-），男，工程師，2007年畢業(yè)于四川大學(xué)金屬材料專業(yè)，現(xiàn)主要負(fù)責(zé)金屬材料高溫蠕變、持久、疲勞試驗研究工作。

DOI:10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.01.009

中圖分類號：TM311

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-9987（2016）01-0042-08