田 曉，徐 慧，秦承鵬，李太江，李益民

(1． 西安熱工研究院有限公司， 西安 710051； 2． 西安益通熱工技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司， 西安 710048)

近5年來(lái)，我國(guó)大力發(fā)展和建設(shè)再熱蒸汽溫度高達(dá)620 ℃的高效超超臨界機(jī)組(簡(jiǎn)稱620 ℃機(jī)組)[1-2]。截至2019年底，我國(guó)投運(yùn)、在建和設(shè)計(jì)的1 000 MW/660 MW等級(jí)的620 ℃機(jī)組(包括一次再熱和二次再熱)已超過(guò)160臺(tái)，遠(yuǎn)超其他國(guó)家620 ℃機(jī)組的總和[3]。由于620 ℃機(jī)組的再熱蒸汽溫度高達(dá)620 ℃，其對(duì)材料性能的要求也更高[4]。相對(duì)于常規(guī)超超臨界機(jī)組，在上一代改良型Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%～12%的轉(zhuǎn)子鋼基礎(chǔ)上，620 ℃機(jī)組汽輪機(jī)中壓轉(zhuǎn)子材料進(jìn)一步添加了Co元素和微量B元素，并去除W元素，目前620 ℃機(jī)組汽輪機(jī)中壓轉(zhuǎn)子材料普遍采用歐洲COST522計(jì)劃中開(kāi)發(fā)的FB2鋼，且部分汽輪機(jī)高壓轉(zhuǎn)子也采用FB2鋼[5-7]。

汽輪機(jī)中壓轉(zhuǎn)子長(zhǎng)期在高溫、高壓下高速旋轉(zhuǎn)，承受較高的應(yīng)力，特別是轉(zhuǎn)子進(jìn)汽端的服役溫度最高，隨著火電機(jī)組服役時(shí)間的延長(zhǎng)，在高溫和應(yīng)力作用下汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子會(huì)發(fā)生蠕變損傷[8-9]，轉(zhuǎn)子材料的微觀組織也會(huì)老化[10-11]，導(dǎo)致材料的力學(xué)性能劣化。國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)FB2鋼的常規(guī)力學(xué)性能進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究[12-14]。筆者主要研究了FB2鋼在620 ℃下持久試樣的微觀組織、析出相類(lèi)型及形態(tài)隨時(shí)間的變化，分析了不同持久時(shí)間下持久試樣的組織老化對(duì)其性能的影響，旨在掌握FB2鋼長(zhǎng)期服役過(guò)程中組織和性能的變化規(guī)律，從而為620 ℃機(jī)組汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子的運(yùn)行監(jiān)督、壽命評(píng)估和服役狀態(tài)評(píng)價(jià)提供科學(xué)指導(dǎo)和技術(shù)參考。

1 試驗(yàn)材料和方法

表1 FB2轉(zhuǎn)子鍛件的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of FB2 rotor forging %

表2 FB2轉(zhuǎn)子鍛件性能熱處理工藝Tab.2 Heat treatment process of FB2 rotor forging

沿轉(zhuǎn)子鍛件本體取徑向直徑do= 10 mm、原始標(biāo)距l(xiāng)o=50 mm的圓形棒狀持久試樣，按照GB/T 2039―2012 《金屬材料 單軸拉伸蠕變?cè)囼?yàn)方法》，在RDL-50型高溫蠕變和持久強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行持久試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為620 ℃。選取不同持久時(shí)間的持久試樣，采用MH-5 維氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)試，試驗(yàn)載荷為9.807 N，每個(gè)持久試樣測(cè)試5次后取算術(shù)平均值。

在距持久試樣斷口20 mm處截取持久試樣制備金相樣品，采用三氯化鐵鹽酸水溶液和原奧氏體晶界侵蝕劑[15]進(jìn)行侵蝕，采用ZEISS SIGMA型掃描電子顯微鏡觀察持久試樣的微觀組織，并分析析出相。由于FB2鋼中Laves相的主要元素為Mo，在背散射電子模式下原子序數(shù)越高的元素，反射的背散射電子數(shù)量越多，其背散射電子形貌越亮，因此可利用該特點(diǎn)在背散射模式下辨識(shí)Laves相。在距前面為持久試樣斷口20 mm處截取0.5 mm厚的薄片，將其機(jī)械減薄至50 μm，用體積分?jǐn)?shù)為5%的高氯酸酒精溶液在-30 ℃下進(jìn)行雙噴減薄，制備透射薄膜試樣，在JEM-2100F型透射電子顯微鏡上進(jìn)行觀察，并進(jìn)行衍射花樣分析。

為了分析在高溫持久過(guò)程中FB2鋼中析出相顆粒尺寸和數(shù)量密度的變化，采用掃描電鏡和透射電鏡(TEM)對(duì)不同持久時(shí)間的持久試樣進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀察與分析。為便于數(shù)據(jù)的提取、分析和對(duì)比處理，利用掃描電鏡拍攝持久試樣的二次電子圖像和背散射電子圖像(放大5 000倍)，像素均為1 024×768 PPI；利用TEM拍攝持久試樣的透射明場(chǎng)圖像(放大27 000倍)，像素統(tǒng)一為1 362×1 086 PPI。采用Image-Pro Plus軟件對(duì)掃描電鏡和TEM照片進(jìn)行圖像分析，為確保系統(tǒng)誤差最小，從統(tǒng)計(jì)結(jié)果中刪除小于5 PPI的析出相粒度尺寸。基于每個(gè)樣品50個(gè)區(qū)域的信息評(píng)估Laves相和M23C6碳化物的平均直徑、數(shù)量密度和面積比，其中數(shù)量密度是單位面積內(nèi)析出相顆粒的數(shù)量，面積比是顆粒投影面積與用以統(tǒng)計(jì)的圖像面積之比。統(tǒng)計(jì)誤差為統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差的2倍。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 高溫持久試驗(yàn)

采用式(1)對(duì)FB2鋼的試驗(yàn)加載應(yīng)力σ和持久時(shí)間tr進(jìn)行擬合。

σ=A(tr)m

(1)

式中：A、m均為與試驗(yàn)溫度有關(guān)的材料常數(shù)。

圖1給出了在620 ℃下FB2鋼的持久強(qiáng)度曲線，外推得到FB2鋼在105h 下的持久強(qiáng)度為132.81 MPa，滿足相關(guān)要求(≥100 MPa)。

圖1 FB2鋼的持久強(qiáng)度曲線Fig.1 Creep-rupture strength curve of FB2 steel

2.2 高溫持久過(guò)程中的硬度變化

圖2給出了620 ℃下持久試樣和時(shí)效試樣的硬度變化。由圖2可知，持久試樣的硬度整體低于時(shí)效試樣的硬度，兩者相差達(dá)到40～50 HV。FB2鋼在高溫持久過(guò)程中，500 h以內(nèi)持久試樣的硬度較供貨態(tài)試樣快速減小，兩者相差達(dá)40 HV；此后隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，持久試樣的硬度基本保持不變，持久時(shí)間達(dá)到9 577 h后其硬度仍在210 HV以上，處于較高水平。相關(guān)研究表明，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%～12%的Cr鋼的硬度與馬氏體的形態(tài)、位錯(cuò)密度、沉淀相密度和晶粒尺寸有關(guān)[16]。研究發(fā)現(xiàn)，在相同溫度下持久試樣的硬度整體低于時(shí)效試樣，這是由于在高溫和應(yīng)力共同作用下材料發(fā)生蠕變，特別是應(yīng)力會(huì)促進(jìn)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)態(tài)回復(fù)，加速材料的性能劣化，致使在高溫持久過(guò)程中FB2鋼的硬度迅速降低。

圖2 持久試樣和時(shí)效試樣的硬度變化Fig.2 Hardness changes of creep-rupture sample and aging sample

2.3 持久過(guò)程中微觀結(jié)構(gòu)的變化

2.3.1 金相組織

圖3給出了馬氏體組織的微觀結(jié)構(gòu)示意圖[17]。在原奧氏體晶粒內(nèi)，存在多個(gè)馬氏體胞塊；在1個(gè)胞塊內(nèi)，存在多個(gè)平行排列的馬氏體板條束[18]。同時(shí)，在馬氏體板條內(nèi)和板條邊界上有大量彌散分布的第二相粒子。

圖3 馬氏體組織的微觀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of martensitic microstructure

采用金相侵蝕劑對(duì)FB2鋼的供貨態(tài)試樣和不同持久時(shí)間的持久試樣侵蝕后進(jìn)行金相組織觀察與分析，金相照片分別見(jiàn)圖4和圖5。供貨態(tài)試樣和持久試樣的金相組織均為100%回火馬氏體，晶粒度為3.5～4.0級(jí)，組織中無(wú)δ鐵素體存在，但有少量的BN夾雜物。經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)B2鋼的馬氏體板條之間大量彌散分布著極其細(xì)小的碳化物，在整個(gè)高溫持久過(guò)程中顆粒尺寸未見(jiàn)明顯變化；持久時(shí)間達(dá)到900 h后，F(xiàn)B2鋼中有細(xì)小的顆粒狀新相析出，且隨著持久時(shí)間延長(zhǎng)，新相數(shù)量增多；持久時(shí)間達(dá)到9 577.0 h后，F(xiàn)B2鋼中顆粒狀新相的數(shù)量明顯增多，且顆粒尺寸也增大。

2.3.2 第二相的析出和長(zhǎng)大

采用掃描電鏡對(duì)FB2鋼不同持久時(shí)間的持久試樣進(jìn)行觀察，結(jié)果見(jiàn)圖6。經(jīng)分析可知，供貨態(tài)試樣中的析出相主要為大量的M23C6碳化物和較少的MX相，其中M23C6碳化物含F(xiàn)e和Cr元素，彌散分布在原奧氏體晶界、板條邊界和板條內(nèi)；而MX相為白亮圓形顆粒，其N(xiāo)b元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高。研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)B2鋼的供貨態(tài)試樣中無(wú)Laves相存在。持久時(shí)間達(dá)到900 h后，F(xiàn)B2鋼中出現(xiàn)堆積狀的顆粒物，經(jīng)能譜分析發(fā)現(xiàn)，其中主要含F(xiàn)e、Cr元素以及少量的Mo元素，推測(cè)該堆積狀的顆粒物為M23C6碳化物和尺寸極小的Laves相。持久時(shí)間達(dá)到4 563.0 h后，F(xiàn)B2鋼中出現(xiàn)不規(guī)則塊狀的Laves相，經(jīng)能譜分析發(fā)現(xiàn)，其主要由Fe、Mo、Cr、Si和P等元素組成。持久時(shí)間達(dá)到9 577.0 h后，不規(guī)則塊狀Laves相的數(shù)量顯著增加。經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，Laves相在原奧氏體晶界和馬氏體板條邊界均有析出。相關(guān)研究表明，Lave相有2種形核機(jī)制[17，19]：一種是在馬氏體板條邊界單獨(dú)形核并長(zhǎng)大；另一種是依附于M23C6碳化物形核，并在長(zhǎng)大過(guò)程中吞咽M23C6碳化物。

(a) 供貨態(tài)試樣

(b) 持久試樣、962.1 h

(c) 持久試樣、4 563.0 h

(d) 持久試樣、6 317.6 h

(e) 持久試樣、9 577.0 h圖4 采用三氯化鐵鹽酸水溶液得到的供貨態(tài)試樣和 持久試樣的金相照片

(a) 供貨態(tài)試樣

(b) 持久試樣、4 563.0 h

(c) 持久試樣、6 317.6 h

(d) 持久試樣、9 577.0 h圖5 采用晶界侵蝕劑獲得的供貨態(tài)試樣和持久試樣的金相照片

(a) 供貨態(tài)試樣

(b) 持久試樣、962.1 h

(c) 持久試樣、4 563.0 h

(d) 持久試樣、9 577.0 h圖6 供貨態(tài)試樣和持久試樣的掃描電鏡背散射 電子圖像及析出相能譜圖

為進(jìn)一步研究高溫持久過(guò)程中溫度和應(yīng)力對(duì)FB2鋼顯微組織和析出相的影響，采用TEM對(duì)不同持久時(shí)間下的持久試樣進(jìn)行觀察和分析，結(jié)果見(jiàn)圖7。對(duì)FB2鋼中析出相進(jìn)行電子衍射花樣及X射線能譜分析(EDS)可知，高溫持久過(guò)程中FB2鋼的主要析出相由M23C6碳化物和Laves相組成，其中M23C6碳化物為(Fe,Cr)23C6型碳化物，其結(jié)構(gòu)為面心立方；Laves相為(Fe,Cr)2Mo型脆性金屬間化合物，其結(jié)構(gòu)為密排六方。

(a) 供貨態(tài)試樣

(b) 持久試樣、962.1 h

(c) 持久試樣、4 563.0 h

(d) 持久試樣、9 577.0 h圖7 不同持久時(shí)間下持久試樣的TEM照片F(xiàn)ig.7 TEM photos of creep-rupture samples at different creep-rupture time

由圖7可知，F(xiàn)B2鋼供貨態(tài)試樣中馬氏體板條內(nèi)具有極高的位錯(cuò)密度，在原奧氏體晶界和板條邊界分布有大量細(xì)小的M23C6碳化物。對(duì)不同持久時(shí)間下的持久試樣微觀形貌進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，隨持久時(shí)間的延長(zhǎng)，F(xiàn)B2鋼中馬氏體板條略有變寬，位錯(cuò)在板條邊界堆積，位錯(cuò)密度略減小，大量的M23C6碳化物顆粒仍沿板條邊界排列，其顆粒尺寸未見(jiàn)明顯粗化。持久時(shí)間達(dá)到9 577.0 h后，F(xiàn)B2鋼馬氏體板條邊界處的位錯(cuò)堆積形成位錯(cuò)胞，胞內(nèi)位錯(cuò)明顯減少；Laves相在板條邊界呈不規(guī)則塊狀分布，表面有層錯(cuò)條紋。由圖8～圖10可知，Laves相與M23C6碳化物緊密相鄰，存在共同界面，對(duì)其進(jìn)行能譜分析可知，Mo和Si元素在M23C6碳化物和Laves相之間的界面發(fā)生偏聚，這與文獻(xiàn)[20]中得出的結(jié)論一致。在Laves相析出前，Mo和Si元素在M23C6碳化物邊界偏聚，使得Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷增大，高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Si會(huì)降低Laves相形成所需的Mo質(zhì)量分?jǐn)?shù)，從而促進(jìn)Laves相的形核[20]；Laves相析出后逐漸吞下附近的M23C6碳化物，其生長(zhǎng)以吞咽機(jī)制進(jìn)行。

(a) 新析出Laves相形貌

(b) 主要元素線掃描分布圖8 新析出Laves相的主要元素線掃描分布

(a) 新析出Laves相形貌

(b) Cr元素分布

(c) Mo元素分布

(d) Si元素分布圖9 新析出Laves相的主要元素面掃描分布

圖10 Laves相的衍射花樣Fig.10 Diffraction pattern of Laves phase

2.3.3 析出相尺寸和數(shù)量密度的變化

為進(jìn)一步分析FB2鋼中析出相在高溫持久過(guò)程中的尺寸和數(shù)量密度變化，利用掃描電鏡照片統(tǒng)計(jì)分析Laves相的平均顆粒直徑、數(shù)量密度和面積比，同時(shí)利用TEM照片統(tǒng)計(jì)分析M23C6碳化物的平均顆粒直徑、數(shù)量密度和面積比。由于MX相數(shù)量占比極少(<5%)，且其顆粒尺寸穩(wěn)定，不在本次統(tǒng)計(jì)分析之中。

圖11給出了在高溫持久過(guò)程中Laves相和M23C6碳化物的平均顆粒直徑、數(shù)量密度和面積比的變化。由圖11(a)可知，F(xiàn)B2鋼供貨態(tài)試樣中M23C6碳化物的平均顆粒直徑為220 nm，持久時(shí)間達(dá)到9 577.0 h后其平均顆粒直徑仍保持在250 nm，可見(jiàn)FB2鋼中的M23C6碳化物在高溫持久過(guò)程中顆粒尺寸未明顯粗化，M23C6碳化物的長(zhǎng)大速率極小。而FB2鋼供貨態(tài)試樣中不存在Laves相，其在高溫持久試驗(yàn)后開(kāi)始析出，持久時(shí)間達(dá)到4 563 h后其平均顆粒直徑為351 nm；持久時(shí)間達(dá)到9 577 h后平均顆粒直徑為461 nm，且最大顆粒尺寸可達(dá)1 μm，在高溫持久過(guò)程中Laves相不斷長(zhǎng)大。這說(shuō)明相比M23C6碳化物，Laves相具有更大的尺寸粗化速率。

從圖11(b)和圖11(c)可以看出，隨著持久時(shí)間從0 h增加至9 577 h，M23C6碳化物的數(shù)量密度從2.20 個(gè)/μm2減小至1.3 個(gè)/μm2，面積比從2.9%減小至2%。Laves相在供貨態(tài)試樣中的數(shù)量密度為0個(gè)/μm2，持久時(shí)間達(dá)到6 316 h后數(shù)量密度達(dá)到最大(0.083 個(gè)/μm2)，持久時(shí)間達(dá)到9 577 h后數(shù)量密度下降至0.063個(gè)/μm2，說(shuō)明Laves相的數(shù)量密度在持久過(guò)程中呈先增大后減小的趨勢(shì)。Laves相的面積比在高溫持久過(guò)程中線性增大，持久時(shí)間達(dá)到9 577 h后面積比為0.65%。通過(guò)對(duì)比可知，M23C6碳化物的數(shù)量密度、面積比在高溫持久過(guò)程中雖有所下降，但仍遠(yuǎn)高于Laves相。可見(jiàn)，M23C6碳化物仍是FB2鋼高溫服役過(guò)程中最主要的強(qiáng)化相。

(a) 平均顆粒直徑

(b) 數(shù)量密度

(c) 面積比圖11 持久試樣中析出相平均顆粒直徑、數(shù)量密度和 面積比的變化

由試驗(yàn)可知，持久時(shí)間達(dá)到9 577 h 后，F(xiàn)B2鋼中M23C6碳化物平均顆粒直徑仍為250 nm，可見(jiàn)M23C6碳化物在高溫持久過(guò)程中未發(fā)生Ostwald成熟，具有較好的熱穩(wěn)定性，且與馬氏體板條亞結(jié)構(gòu)的厚度接近[21]，能很好地釘扎板條邊界，阻礙其遷移，從而穩(wěn)定板條亞結(jié)構(gòu)，這是FB2鋼具有良好高溫強(qiáng)度的重要原因。在高溫持久過(guò)程中，M23C6碳化物的數(shù)量密度減小，主要是由于Laves相在析出、長(zhǎng)大過(guò)程中逐漸消耗掉M23C6碳化物。Laves相在M23C6碳化物附近形核長(zhǎng)大時(shí)，會(huì)使該區(qū)域Cr、Mo等元素重新排列，Laves相在生長(zhǎng)過(guò)程中通過(guò)吞咽機(jī)制消耗M23C6碳化物[19,22]。從Laves相的數(shù)量密度、面積比和平均顆粒直徑可得出，Laves相在持久時(shí)間達(dá)到9 577 h后尚未達(dá)到熱力學(xué)平衡，顆粒尺寸仍呈增大趨勢(shì)。

3 結(jié) 論

(1) FB2鋼在620 ℃外推105h的持久強(qiáng)度為132.81 MPa，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

(2) 持久試樣的硬度整體低于時(shí)效試樣的硬度，這表明在高溫下應(yīng)力會(huì)使材料的性能進(jìn)一步劣化。

(3) 高溫持久過(guò)程中，F(xiàn)B2鋼的馬氏體板條寬度略有粗化，位錯(cuò)密度略有降低，M23C6碳化物的顆粒尺寸保持穩(wěn)定，未見(jiàn)明顯粗化。大量彌散分布的M23C6碳化物對(duì)板條亞晶界和位錯(cuò)有很強(qiáng)的釘扎作用，這是FB2鋼保持良好高溫強(qiáng)度的重要原因。

(4) FB2鋼在高溫持久過(guò)程中新析出Laves相，Laves相以單獨(dú)形核和依附M23C6碳化物形核2種方式析出且快速長(zhǎng)大，并吞咽部分M23C6碳化物顆粒。持久時(shí)間達(dá)到9 577 h后，Laves相的最大尺寸達(dá)到1.0 μm，仍未達(dá)到熱力學(xué)平衡。