楊 權(quán),馮 起,徐 航,趙中赫,郝維勛,李慶春,英曉宇

(1.高效清潔燃煤電站鍋爐國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150046；2. 哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150046)

0 引 言

提高超超臨界燃煤電站機(jī)組的參數(shù)，可以提高燃料熱效率、降低煤耗和減少CO2排放，在節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)方面意義重大，是煤炭資源能夠高效清潔利用的重要方式和手段[1-2]。先進(jìn)、發(fā)達(dá)國家均制定了一系列的研究計(jì)劃，致力于提高燃煤電廠的燃料利用效率，包括中國的650 ℃計(jì)劃、歐盟的700 ℃計(jì)劃和美國的760 ℃計(jì)劃等，均把更高參數(shù)發(fā)電機(jī)組作為發(fā)展方向。更高參數(shù)機(jī)組的發(fā)展，面臨的重點(diǎn)、難點(diǎn)問題是高溫性能優(yōu)越材料的研發(fā)和利用，要求材料在運(yùn)行溫度下具有良好的強(qiáng)度、蠕變性能和組織穩(wěn)定性。Ni47Cr23Fe23W7鋼以其良好的性能和相對鎳基合金較低的價格，是作為高參數(shù)鍋爐集箱和管道的熱門候選材料，該材料是由日本某公司于1986年研制成功的Fe-Ni基合金，主要成分是Ni、Fe、Cr、W，并添加了C、Ti、Nb、B等合金元素，能夠形成細(xì)小碳化物，起到強(qiáng)化作用，主要依靠W的固溶強(qiáng)化，B的間隙固溶強(qiáng)化和Nb、V形成納米級MX相的析出強(qiáng)化[3]。國內(nèi)目前尚無該材料在650 ℃參數(shù)下的試驗(yàn)或運(yùn)行數(shù)據(jù)。此文通過研究Ni47Cr23Fe23W7大口徑管在650 ℃參數(shù)下的長時組織穩(wěn)定性，為650 ℃參數(shù)鍋爐的選材提供數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)研究

1.1 材料分析

試驗(yàn)所用Ni47Cr23Fe23W7大口徑無縫鋼管是由日本某鋼廠生產(chǎn)制造。采用德國ELTRA GmbH公司生產(chǎn)的CS800型碳硫分析儀材料的碳和硫的成分含量進(jìn)行定量分析；采用力可公司生產(chǎn)的TC500型氧氮測定儀對材料的氧和氮的含量進(jìn)行定量分析；其他成分采用Thermo ELECTRON CORPORATION生產(chǎn)的IRIS Intrepid II XSP型電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀(ICP)和德國斯派克公司生產(chǎn)的M8型光電直讀式光譜儀進(jìn)行定量檢測。該材料的實(shí)測化學(xué)成分見表1。

表1 化學(xué)成分 Table 1 Chemical compositions 單位：%

1.2 長期時效試驗(yàn)及組織觀察

對原材料大口徑無縫鋼管進(jìn)行取樣，截取15 mm×15 mm×200 mm的條狀試樣，以便于熱處理和后續(xù)的試樣加工。在高溫時效熱處理爐內(nèi)分別進(jìn)行650 ℃溫度下1 000 h、3 000 h、5 000 h、8 000 h和10 000 h的時效處理。時效處理后，對各不同時長時效處理的試樣分別制取金相試樣，經(jīng)過粗磨、細(xì)磨和拋光，采用50%鹽酸酒精溶液侵蝕后，進(jìn)行金相組織觀察，如圖1所示。從金相組織可以看出，時效后鋼管的金相組織穩(wěn)定，金相組織為單一奧氏體組織，晶粒未發(fā)生變形或粗化，時效時間達(dá)到5 000 h以上后，逐漸在晶界和晶粒內(nèi)部出現(xiàn)少量析出相，并且析出相尺寸較小，時效時間繼續(xù)延長后，析出相數(shù)量緩慢增加。

圖1 不同時效時間后的金相組織Fig.1 Metallographic structure after different aging time

1.3 掃描電鏡及能譜觀察

為更好的觀察析出相的形貌和分析析出相的成分，對制備完成的金相試樣進(jìn)行掃描電鏡觀察及能譜分析。采用Apollo 300型熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡及配套的Quantex型能譜儀分別對不同時間時效后的試樣進(jìn)行SEM觀察。形貌如圖2所示，隨著時效時間的延長，晶界及晶粒內(nèi)部均開始產(chǎn)生顆粒狀或短棒狀析出相，并且析出相逐漸增多、長大。顆粒狀析出相沿晶界和晶粒內(nèi)部彌散分布，短棒狀析出相在晶內(nèi)彌散分布。

圖2 不同時效時間后的SEM形貌Fig.2 SEM morphology after different aging time

對時效10 000 h試樣的顆粒狀和短棒狀析出相進(jìn)行能譜分析，如圖3、圖4所示，與基體成分相比， 顆粒狀析出相的Cr、W和C含量急劇升高，F(xiàn)e、 Ni 含量大幅度降低，短棒狀析出相的C含量很低。

圖3 時效10 000 h試樣顆粒狀析出相能譜Fig.3 EDS of granular precipitates after aging 10 000 h

圖4 時效10 000 h試樣短棒狀析出相能譜Fig.4 EDS of short rod-like precipitates after aging 10 000 h

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

650 ℃長時時效試驗(yàn)表明，Ni47Cr23Fe23W7材料的高溫性能良好、組織穩(wěn)定。時效10 000 h后，晶內(nèi)和晶界有一定量的析出相，析出相緩慢長大，呈顆粒狀和短棒狀，光學(xué)顯微鏡觀察析出相并不明顯，與基體之間未見裂紋萌生，呈彌散狀分布，對基體起到很好的強(qiáng)化作用。根據(jù)析出相的形貌和能譜分析結(jié)果判斷，顆粒狀析出相主要是碳化物M23C6和MC，短棒狀析出相主要在晶內(nèi)較多，該析出相富含W、Cr，含有一定量的Fe，該析出相主要是Laves相(Fe2W)，Laves相是一種密排立方或六方結(jié)構(gòu)的金屬間化合物，是長時時效后的主要析出相[4]，且經(jīng)過10 000 h時效后未發(fā)生明顯粗化，說明該材料在650 ℃具有優(yōu)異的長時組織穩(wěn)定性。

根據(jù)Ni47Cr23Fe23W7在650 ℃溫度下長時時效后的組織變化，利用組織轉(zhuǎn)變動力學(xué)研究中常用的約翰遜-邁爾(JMAK)方程[4]對相變進(jìn)行程度進(jìn)行推導(dǎo)。JMAK方程如下：

X=1-exp(-ktn)

式中：X表示組織轉(zhuǎn)變的進(jìn)行程度；t表示組織轉(zhuǎn)變發(fā)生的持續(xù)時間；k是與溫度有關(guān)的系數(shù)；n是與形核和長大方式有關(guān)的Avrami指數(shù)。Ni47Cr23Fe23W7材料的Avrami指數(shù)n=0.81。在650 ℃溫度下，時效10 000 h后，實(shí)測的組織轉(zhuǎn)變進(jìn)行程度X≈0.005 228，根據(jù)JMAK方程對已知數(shù)據(jù)進(jìn)行代入，如下：

0.005 228=1-exp(-k·10 0000.81)

經(jīng)計(jì)算，650 ℃溫度下的k≈3.02×10-6。

根據(jù)JMAK方程X=1-exp(-3.02×10-6·t0.81)，繪制Ni47Cr23Fe23W7在650 ℃下組織轉(zhuǎn)變程度隨時效時間變化的曲線，如圖5所示。

圖5 組織轉(zhuǎn)變程度隨時間變化曲線Fig.5 Change curve of tissue transformation degree with time

當(dāng)組織轉(zhuǎn)變進(jìn)行程度達(dá)到5%時，認(rèn)為該組織已經(jīng)開始粗化，即：

5%=1- exp(-3.02×10-6·t0.81)

經(jīng)計(jì)算，t≈166 835 h，即Ni47Cr23Fe23W7鋼管在650 ℃溫度下，預(yù)計(jì)需要16.7萬小時后組織才開始發(fā)生明顯粗化，具有優(yōu)異的組織穩(wěn)定性。雖然析出的Laves相隨著時間逐漸長大，但長大速度極慢。

鍋爐設(shè)計(jì)壽命一般為30年，按每臺機(jī)組年平均發(fā)電時間約5 000 h計(jì)算，強(qiáng)化相開始發(fā)生粗化的時間應(yīng)在15萬小時以上，才能滿足設(shè)計(jì)壽命要求。根據(jù)JMAK方程推算的Ni47Cr23Fe23W7在650 ℃溫度下組織開始發(fā)生粗化的時間約為16.7萬小時，能夠滿足使用要求。鑒于在650 ℃溫度下優(yōu)異的組織穩(wěn)定性，Ni47Cr23Fe23W7鋼管可作為650 ℃超超臨界機(jī)組鍋爐集箱和管道的候選材料。

3 結(jié) 語

1) 在650 ℃下，Ni47Cr23Fe23W7的組織預(yù)計(jì)開始發(fā)生粗化的時間約為16.7萬小時，具有優(yōu)異的組織穩(wěn)定性。

2) 在高溫力學(xué)性能滿足使用要求的條件下，Ni47Cr23Fe23W7鋼管的高溫組織穩(wěn)定性滿足650 ℃超超臨界機(jī)組鍋爐集箱和管道候選材料的要求。