趙 欣,王婷婷

(寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,上海 201999)

燃煤發(fā)電是我國電源結(jié)構(gòu)的最主要組成部分,為進一步降低煤耗、提高熱效率和降低排放,630 ℃以上高參數(shù)超超臨界電站已成為我國燃煤發(fā)電機組未來發(fā)展的重要方向[1-4],但耐熱材料一直以來是制約煤電機組向更高參數(shù)發(fā)展的“卡脖子”問題。隨著蒸汽溫度和蒸汽壓力的提高,超超臨界火電機組對耐熱材料的性能提出了更高的要求,主要表現(xiàn)在以下幾個方面:①更高的高溫持久、蠕變強度;②良好的抗氧化和耐蝕性能;③優(yōu)異的組織穩(wěn)定性;④良好的冷、熱加工性能;⑤良好的焊接性能等[5-8]。目前比較成熟的P92可用于620 ℃以下大口徑鍋爐管制造,但當蒸汽溫度升高至630～650 ℃,目前世界范圍內(nèi)都沒有可選用的成熟材料。為滿足630～650 ℃蒸汽參數(shù)超超臨界火電機組的需要,寶鋼和鋼鐵研究總院聯(lián)合開發(fā)了新型馬氏體耐熱鋼9Cr-3W-3CoVNbCuBN (G115)產(chǎn)品。

馬氏體耐熱鋼的熱處理一般采用正火加高溫回火工藝(詳見GB5310),G115鋼在工業(yè)化試制過程中采用這種調(diào)質(zhì)工藝后,沖擊功安全余量小,難以滿足高壓鍋爐用材料長期穩(wěn)定服役的要求。因此,本文開展了不同調(diào)質(zhì)工藝對G115組織性能的研究,并為獲得G115鋼良好的綜合性能提供數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗方法

本文以G115的φ530 mm規(guī)格棒材為研究對象,其主要化學(xué)成分見表1,主要生產(chǎn)流程為:40 t電爐+LF+VD→澆注13.5 t鋼錠→鍛造為棒材→調(diào)質(zhì)熱處理。實驗室進行了如表2所示調(diào)質(zhì)工藝,其中1#～3#采用了兩次調(diào)質(zhì),第一次淬火溫度分別為1 140、1 100和1 050 ℃,完成第一次調(diào)質(zhì)后進行了第二次調(diào)質(zhì);4#只進行了一次調(diào)質(zhì),工藝參數(shù)同1#～3#的第二次調(diào)質(zhì),即1 050 ℃×1 h/水冷+780 ℃×3 h/空冷。

從棒材取橫向試樣進行性能檢測及組織分析。室溫拉伸和650 ℃高溫拉伸性能測試分別在SCL233200kN和SCL231200kN試驗機上進行,檢測依據(jù)分別為GB/T 228.1和GB/T 228.2。沖擊性能采用JBN-300B設(shè)備,根據(jù)GB/T 229測試材料的夏比V型缺口沖擊功,試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm。微觀組織觀察使用金相顯微鏡和EVO MA25掃描電鏡,采用5 g FeCl3+50 mL HCl+50 mL H2O 溶液進行腐蝕。

表1 G115棒材化學(xué)成分

表2 G115棒材調(diào)質(zhì)工藝

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 調(diào)質(zhì)工藝對性能的影響

調(diào)質(zhì)工藝對G115棒材室溫拉伸和650℃高溫拉伸強度的影響如圖1所示。從圖1(a)中可以看出,采用兩次調(diào)質(zhì)工藝(1#～3#)的室溫屈服強度和抗拉強度均高于一次調(diào)質(zhì)工藝(4#),其中1#～3#的屈服強度比4#高了50～60 MPa,1#～3#的抗拉強度比4#高了60～90MPa;此外,從1#到3#工藝,隨著兩次調(diào)質(zhì)工藝中的第一次淬火溫度從1 140 ℃降至1 050 ℃,室溫屈服強度和抗拉強度均呈一定的下降趨勢。從圖1(b)中可以看出,調(diào)質(zhì)工藝對650℃高溫拉伸強度的影響也有相似的變化規(guī)律,1#～3#工藝的650 ℃高溫拉伸屈服強度和抗拉強度均高于4#工藝;從1#到3#工藝,隨著兩次調(diào)質(zhì)工藝中的第一次淬火溫度的降低,屈服強度和抗拉強度也有一定下降趨勢。

圖2給出了不同調(diào)質(zhì)工藝對室溫沖擊功平均值的影響?？梢钥闯?采用兩次調(diào)質(zhì)工藝(1#～3#)的沖擊功均高于一次調(diào)質(zhì)工藝(4#)100 J以上;另外,對比1#～3#沖擊功可發(fā)現(xiàn),1#、2#工藝的沖擊功相當,但當3#工藝的第一次淬火溫度降低至1 050 ℃時,沖擊功開始有一定下降。

從調(diào)質(zhì)工藝對G115性能的影響可以看出,采用兩次調(diào)質(zhì)工藝可以顯著改善G115沖擊功,同時可以使室溫和高溫強度得到一定提升,這對G115鋼的工程應(yīng)用意義重大,并且提高兩次調(diào)質(zhì)工藝中的第一次淬火溫度對于改善G115性能有更好的效果。

2.2 調(diào)質(zhì)工藝對微觀組織的影響

不同調(diào)質(zhì)工藝對應(yīng)的金相組織見圖3。可以看出兩次調(diào)質(zhì)工藝(1#～3#)的晶粒度顯著細于一次調(diào)質(zhì)工藝(4#),回火板條組織保留的相比一次調(diào)質(zhì)更加明顯,并且采用兩次調(diào)質(zhì)工藝的碳化物等析出相形貌比一次調(diào)質(zhì)更加細小,分布更加彌散,見圖4。對比1#～3#可以發(fā)現(xiàn),1#的晶粒尺寸略粗于2#和3#,但均勻性更好。兩次調(diào)質(zhì)工藝經(jīng)過第一次高溫淬火處理,促進了一次MC等大塊析出相溶解、合金元素均勻化,第一次回火處理后可以析出細小而彌散分布的碳化物,從而為第二次調(diào)質(zhì)處理做了良好的顯微組織鋪墊,使得第二次調(diào)質(zhì)時有了更多奧氏體化形核位置,并且細小而彌散分布的碳化物可以釘扎晶界,阻礙奧氏體晶粒的長大以及馬氏體的回復(fù)過程,從而使兩次調(diào)質(zhì)后晶粒細化顯著,回火馬氏體板條保留更明顯。這應(yīng)該是兩次調(diào)質(zhì)工藝(1#～3#)的性能高于一次調(diào)質(zhì)(4#)的主要原因。而兩次調(diào)質(zhì)工藝中,第一次高溫淬火處理溫度越高,析出相溶解越充分,合金元素均勻化程度越高,這也是從1#到3#工藝隨著第一次淬火溫度的降低性能略下降的原因。

3 結(jié)論

(1) 采用兩次調(diào)質(zhì)工藝可以使G115棒材強度和沖擊功均有提高,沖擊功的提高尤為顯著。隨著兩次調(diào)質(zhì)工藝第一次淬火溫度的提高,強度、沖擊功等性能呈提高趨勢。

(2) 兩次調(diào)質(zhì)工藝的G115棒材晶粒度顯著細于一次調(diào)質(zhì)工藝的,且回火板條組織保留更明顯,碳化物等析出相形貌更細小、分布更彌散。