先進(jìn)高效熱電站用鐵素體耐熱鋼的開發(fā)
1概述
為了節(jié)能和降低CO2排放，日益要求提高傳統(tǒng)熱電站的能效。解決問(wèn)題的策略之一是開發(fā)出能夠保證電站在更高的蒸汽溫度和更高氣壓下工作的高強(qiáng)度、耐熱材料。本文提出了一種15Cr鋼，該鋼比傳統(tǒng)的回火馬氏體組織9Cr或12Cr鐵素體耐熱鋼的Cr含量高。也已經(jīng)發(fā)現(xiàn)對(duì)這些新型的析出強(qiáng)化15Cr鐵素體鋼，通過(guò)優(yōu)化合金含量，經(jīng)過(guò)熱處理，可以實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)鐵素體耐熱鋼更高的持久蠕變強(qiáng)度。
◆由于鐵素體相比回火馬氏體組織更適合于改善鋼的持久蠕變強(qiáng)度，因此將Cr含量提高到15%，以獲得鐵素體基體。此外，認(rèn)為Cr含量的提高將改善高溫蒸汽下的抗氧化能力。
◆W含量提高到6%，以促進(jìn)Laves相（Fe2W）析出。Fe2W是一種金屬間化合物，可以起到析出強(qiáng)化作用。由于W的熔點(diǎn)高、擴(kuò)散速率低，因此可以認(rèn)為Fe2W的高溫和持久穩(wěn)定性高。
◆加入3%Co可以降低Fe2W的粗化速率，使Fe2W非常細(xì)小。
◆降低C和N含量以提高微觀組織的持久穩(wěn)定性。
◆加入2.0%Ni可以顯著提高15Cr鋼的沖擊韌性。不過(guò)，Ni的加入稍微降低材料在650℃時(shí)的蠕變強(qiáng)度。本文研究了Ni含量對(duì)高溫蠕變強(qiáng)度的影響。
◆鋼水在真空感應(yīng)爐內(nèi)熔煉，澆鑄成的10kg鋼錠熱鍛成直徑15mm的棒材，隨后在1200℃固溶處理0.5h，最后水淬。蠕變測(cè)試用試樣是直徑6mm、長(zhǎng)度30mm的圓棒。蠕變?cè)囼?yàn)在空氣中進(jìn)行，溫度分別為650℃、700℃和750℃，壓力范圍30-240MPa，時(shí)間長(zhǎng)達(dá)65000h。采用一個(gè)粘在試樣待測(cè)量部位的引伸儀測(cè)量蠕變變形量。
在每一測(cè)試溫度下，15Cr鋼的蠕變強(qiáng)度都大約是T92鋼的兩倍，在650℃和700℃下這些鋼的蠕變斷裂壽命大約是T92的100倍，而在750℃大約為T92鋼的10-100倍。650℃時(shí)Ni的加入降低了15Cr鋼的蠕變強(qiáng)度，不過(guò)，Ni的加入?yún)s提高了750℃時(shí)15Cr鋼的蠕變強(qiáng)度。
從斷裂時(shí)的蠕變斷裂試樣的伸長(zhǎng)率和面縮率可以看出，15Cr-0.0Ni鋼和T92鋼的伸長(zhǎng)率都低于20%，相反，對(duì)含1.2%Ni和2.0%Ni的15Cr鋼，甚至當(dāng)試樣的蠕變斷裂時(shí)間超過(guò)10000h的條件下伸長(zhǎng)率也高于20%。同樣，在所有條件下15Cr-0.0Ni鋼和T92鋼的面縮率都低于30%，而含1.2%Ni和2.0%Ni的15Cr鋼的面縮率均高于50%。因此，可以看出1.2%Ni或2.0%Ni的加入可以明顯改善15Cr鋼的蠕變斷裂延展性。
2討論
含Ni的15Cr鋼固溶處理后，在基體中不僅觀察到鐵素體相，也發(fā)現(xiàn)馬氏體相。含1.2Ni%和2.0%Ni的鋼中馬氏體體積分?jǐn)?shù)分別為16.7%和31.2%。利用Thermo-Calc軟件對(duì)含Ni的15Cr鋼進(jìn)行的相平衡計(jì)算表明，在固溶溫度下奧氏體相也是穩(wěn)定的，因此在固溶處理后的淬火過(guò)程中奧氏體相轉(zhuǎn)變成馬氏體相。在蠕變過(guò)程中，盡管在含Ni的15Cr鋼的鐵素體基體內(nèi)均勻形成大量細(xì)小的析出物，但是在馬氏體相中僅稀少地析出粗大塊狀顆粒。由于馬氏體相析出強(qiáng)化效果的降低，含Ni15Cr鋼在650℃的蠕變強(qiáng)度也降低。
相反，Ni的加入?yún)s提高了15Cr鋼在750℃時(shí)的蠕變強(qiáng)度，具體原因目前還不清楚。我們認(rèn)為含Ni的15Cr鋼在750℃時(shí)從馬氏體相中產(chǎn)生奧氏體相，這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)在750℃時(shí)鋼中奧氏體相可以穩(wěn)定地存在。一般而言，由于元素在面心立方相中的擴(kuò)散速率低，面心立方結(jié)構(gòu)的蠕變速率低于體心立方結(jié)構(gòu)。因此，認(rèn)為Ni的加入通過(guò)形成奧氏體相而提高了15Cr鋼在750℃時(shí)的蠕變強(qiáng)度。
Ni的加入不僅提高了15Cr鋼的高溫蠕變強(qiáng)度和沖擊韌性，也改善了蠕變斷裂延展性。由于Cr含量比傳統(tǒng)的9-12Cr鐵素體耐熱鋼高，認(rèn)為15Cr鋼具有優(yōu)異的抗蒸汽氧化能力。而且由于不添加大量的稀有金屬，因此成本也比鎳基高溫合金低。據(jù)此，我們有理由相信析出強(qiáng)化型15Cr鐵素體鋼是用于高效熱電站內(nèi)高溫結(jié)構(gòu)件的有前景的材料。