發(fā)展清潔煤發(fā)電技術(shù)可以緩解全球能源緊張、減少環(huán)境污染,在眾多的清潔煤發(fā)電技術(shù)中,較現(xiàn)實(shí)可行的途徑是發(fā)展超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)。提高鍋爐蒸汽的壓力和溫度,可以提高超超臨界機(jī)組的熱效率,大幅降低煤耗和排放量[1-3]。近些年,我國致力發(fā)展超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù),機(jī)組高溫部件材料普遍為TP347HFG、Super304H、TP310HCbN等耐熱鋼,其中TP347HFG耐熱鋼是在TP347H鋼的基礎(chǔ)上,通過特殊高溫處理,即在最后一道拔管之前將管子進(jìn)行一次溫度高于最終固溶處理溫度的軟化退火,在高溫軟化過程中析出大量NbC質(zhì)點(diǎn),阻礙最終固溶處理時(shí)奧氏體晶粒的長大,使晶粒細(xì)化達(dá)到8級以上[4-8]。與TP347H鋼相比,TP347HFG鋼的晶粒較細(xì),有利于加快Cr的擴(kuò)散遷移速率,與蒸汽中的氧形成致密富Cr的Cr2O3層,從而阻止高溫蒸 汽對管子內(nèi)壁的進(jìn)一步氧化,具有良好的抗蒸汽氧化性能[9-16]。在溫度為600~750 ℃時(shí),TP347HFG鋼的許用應(yīng)力大于比TP347H鋼的許用應(yīng)力,差值大于20%,斷裂塑性也優(yōu)于TP347H鋼。因此,TP347HFG鋼在超超臨界機(jī)組鍋爐過熱器和再熱器上得到了廣泛的應(yīng)用。 

筆者采用透射電鏡（TEM）和掃描電鏡（SEM）研究TP347HFG鋼在高溫應(yīng)力作用下的析出相,為應(yīng)用該型耐熱鋼的超（超）臨界機(jī)組的金屬監(jiān)督及運(yùn)行維護(hù)提供數(shù)據(jù)支持。 

1.   試驗(yàn)方法

根據(jù)GB/T 2039－1997《金屬拉伸蠕變及持久試驗(yàn)方法》,將規(guī)格為45 mm×8.5 mm（外徑×壁厚）的國產(chǎn)供貨態(tài)TP347HFG鋼管制成持久試樣,在高溫蠕變試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行溫度為620 ℃的不同應(yīng)力水平的持久強(qiáng)度試驗(yàn),控溫精度和溫度梯度均不大于±3 ℃,試驗(yàn)機(jī)的載荷精度為±1.0%。供貨態(tài)TP347HFG鋼管試樣的化學(xué)成分如表1所示,其持久試驗(yàn)條件如表2所示。借助掃描電子顯微鏡和透射電鏡觀察供貨態(tài)和持久斷裂試樣的組織結(jié)構(gòu),用X射線能譜儀對試樣進(jìn)行成分分析,用維氏硬度計(jì)測試試樣的硬度,試驗(yàn)載荷為10 kgf（1 kgf=9.8 N）。 

2.   試驗(yàn)結(jié)果

不同條件下TP347HFG鋼持久斷裂試樣的SEM形貌如圖1所示。由圖1可知：供貨態(tài)的組織為奧氏體,組織中存在大量孿晶；棒狀顆粒彌散分布于組織中,在晶界和孿晶界處無聚集現(xiàn)象,顆粒尺寸為1.5~6.5 µm[見圖1（a）]；棒狀顆粒是在冶煉過程中形成的一次碳化物；與供貨態(tài)試樣相比,持久斷裂試樣的一次碳化物在晶內(nèi)、晶界分布[見圖1（b）]；在應(yīng)力的作用下,一次碳化物剝落,隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長,一次碳化物剝落數(shù)量增多,形成裂紋[見圖1（d）]。 

圖  1  不同條件下TP347HFG鋼持久斷裂試樣的SEM形貌

620 ℃,300 MPa,118.01 h試驗(yàn)條件下持久斷裂試樣的TEM（BF）圖像及電子衍射花樣如圖2所示。圖2（a）為晶內(nèi)面心立方結(jié)構(gòu)的NbC,顆粒粗大,尺寸約為5 µm,為一次碳化物；圖2（b）為小基體晶粒內(nèi)分布細(xì)小的析出相顆粒,尺寸為20~80 nm；圖2（c）為晶界兩側(cè)分布位錯(cuò),電子衍射花樣只有一套,為面心立方結(jié)構(gòu),表明晶界無析出物。 

圖  2  620 ℃,300 MPa,118.01 h試驗(yàn)條件下持久斷裂試樣的TEM（BF）圖像及電子衍射花樣

620 ℃,250 MPa,1 256.25 h試驗(yàn)條件下持久斷裂試樣的TEM圖像如圖3所示。圖3（a）為晶內(nèi)彌散分布的粒狀M23C6,尺寸為80~140 nm；圖3（b）為晶界不連續(xù)分布的M23C6及晶內(nèi)位錯(cuò)。 

圖  3  620 ℃,250 MPa,1 256.25 h試驗(yàn)條件下持久斷裂試樣的TEM圖像

620 ℃,160 MPa,11 640.10 h試驗(yàn)條件下持久斷裂試樣的TEM（BF）圖像如圖4所示。圖4（a）為晶內(nèi)棒狀NbC顆粒,長度約為110 nm,同時(shí)還觀察到粒狀M23C6顆粒,尺寸為80~100 nm；圖4（b）為晶內(nèi)粒狀M23C6與位錯(cuò)纏繞,尺寸為50~130 nm；圖4（c）為晶界及其附近區(qū)域M23C6碳化物顆粒,尺寸為100~160 nm,不連續(xù)分布。對比短時(shí)間試驗(yàn)試樣,可見隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長,M23C6數(shù)量明顯增多。 

圖  4  620 ℃,160 MPa,11 640.10 h試驗(yàn)條件下持久斷裂試樣的TEM（BF）圖像及電子衍射花樣

持久斷裂試樣的維氏硬度變化曲線如圖5所示。短時(shí)間斷裂試樣的斷裂面硬度高于其他部位,如620 ℃,300 MPa,118.01 h條件下持久斷裂試樣的斷裂面硬度為298 HV10,隨著測試點(diǎn)與斷裂面距離的增大,硬度呈降低趨勢。說明在短時(shí)間斷裂條件下,試樣的塑性好、頸縮效應(yīng)明顯、斷裂面變形量很大,導(dǎo)致其斷裂時(shí)產(chǎn)生了形變硬化。長時(shí)間高溫應(yīng)力條件下,材料的塑性降低,斷裂變形量減小,形變硬化效果減弱,導(dǎo)致斷裂面硬度降低,如在620 ℃,160 MPa,11 640.10 h條件下,持久斷裂試樣的斷裂面硬度為176 HV10,距斷裂面3~19 mm處的硬度為188~198 HV10,斷裂面硬度明顯低于其他部位。由圖5可知：長時(shí)斷裂試樣各個(gè)硬度點(diǎn)的數(shù)值均明顯低于短時(shí)斷裂試樣,這是由于長時(shí)試驗(yàn)后大量一次碳化物在晶界及其附近聚集,在應(yīng)力作用下形成孔洞。 

圖  5  持久斷裂試樣的維氏硬度變化曲線

3.   結(jié)論

（1） TP347HFG鋼持久試樣的晶界析出物為M23C6,晶內(nèi)析出物為NbC和M23C6。 

（2）晶內(nèi)及晶界析出的M23C6晶格常數(shù)為基體的3倍,隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長,M23C6數(shù)量增多。 

（3）持久試樣中彌散分布的M23C6和NbC導(dǎo)致材料發(fā)生析出強(qiáng)化,提高了硬度；但隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長,持久斷裂試樣的硬度降低,老化明顯。 

文章來源——材料與測試網(wǎng)