超超臨界鍋爐受熱面管新型材料Super304H的性能研究

樓玉民，鄭宏曄

（國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310008）

超超臨界鍋爐受熱面管新型材料Super304H的性能研究

樓玉民，鄭宏曄

（國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310008）

為詳細了解目前超超臨界鍋爐受熱面管大量采用的新型耐熱材料Super304H不銹鋼的性能，對其開展系列試驗，包括不同溫度下的短時拉伸試驗，不同時效時間下的拉伸試驗、室溫沖擊試驗、材料相結構分析、斷口掃描電鏡分析、高溫長期蠕變斷裂性能試驗，服役爐管的力學性能研究等，得出Super304H耐熱鋼在模擬服役條件下的性能退化情況和組織結構演變規律。

超超臨界；鍋爐；Super304H；力學性能；組織結構

0 引言

目前很多超超臨界鍋爐的受熱面管大量采用了新型耐熱材料Super304不銹鋼，如寧海發電廠5號鍋爐爐管，北侖發電廠7號爐屏式過熱器下8-48號管、末級過熱器下19-49號管、高溫過熱器下18-51號管等，經過一定周期的服役后均出現了明顯的強度增加與塑性下降現象。

為了詳細地了解Super304H不銹鋼的材料性能，以鍋爐關鍵承壓部件（如過熱器、再熱器等）用材為對象，開展一系列模擬發電廠服役條件的性能試驗。選用德國曼內斯曼供貨的Super304H耐熱鋼。研究內容包括：20℃，550℃，600℃，650℃，700℃溫度下的短時力學性能研究；700℃下，經過 500，1 000，2 000，3 000 h時效后，Super304H材料的拉伸試驗、室溫沖擊試驗、金相組織以及斷口掃描電鏡分析與透射電鏡分析；深入研究其服役性能及其退化規律、組織結構演變規律等問題。

1 材料宏觀試驗

1.1 力學性能試驗

隨著溫度增加，Super304H不銹鋼的強度和延性性能都出現了顯著的下降現象，而塑性性能在某個溫度段（室溫至550℃）表現為下降，但隨著溫度進一步升高卻表現出增加現象。

圖1給出了700℃下原始態（0 h，無時效）與經過500，1 000，2 000，3 000 h時效后Super304H不銹鋼的拉伸曲線。隨著時效時間增加，材料的剛度特性呈現一定的升高，屈服強度趨于增大，但強度極限卻表現為下降特征；而塑性性能和韌性性能總體上隨時效時間增加表現出下降現象。

表1 不同溫度下Super304H不銹鋼的力學性能

圖1 700℃時不同時效階段下的拉伸曲線

1.2 沖擊試驗

時效500 h后，沖擊值有明顯下降，之后隨著時效的增加，沖擊值下降不明顯，如表2所示。

表2 Super304H不同時效的室溫沖擊值

2 材料微觀試驗

2.1 金相組織分析

圖2分別給出了Super304H不銹鋼在700℃溫度經過0，500，1 000，2 000，3 000 h時效后金相組織。從圖中也能看出，500 h時效后，金相組織有明顯變化，析出物明顯增加，隨著時效時間的增加，析出物顆粒數量增加不明顯。

2.2 典型拉伸斷口的掃描電鏡觀察

圖3—5給出了Super304H不銹鋼在700℃溫度下經過0，1 000，3 000 h時效后的拉伸試樣斷口掃描電子顯微鏡下的觀察。從圖中也能看出，隨著時效時間增加，斷口呈現出更顯著的準解理特征（解理小面+撕裂嶺），表明材料的脆性現象。

圖2 700℃不同時效金相組織照片

圖3 700℃、無時效下的拉伸試樣斷口形貌

圖4 700℃、時效1 000 h后的拉伸試樣斷口形貌

圖5 700℃、時效3 000 h后的拉伸試樣斷口形貌

2.3 典型樣品的微觀結構觀察

圖6是原始態Super304H不銹鋼的透射電鏡觀察照片。從圖中能夠發現：原始態材料晶粒內部和晶界總體均很干凈，偶爾能在晶粒內部發現少量位錯以及近球形夾雜物（直徑約200 nm）。從晶粒的衍射花樣可以判斷集體為奧氏體相，未含其他析出相。

圖6 原始態透射電鏡觀察照片

圖7給出了經3 000 h時效后Super304H不銹鋼的透射電鏡觀察照片。圖中結果顯示晶界隨處可見大塊的析出相，析出相平均寬度約300 nm，長度約1 000 nm。從其形態和衍射花樣可以初步判斷為M23C6的碳化物，且該析出相與奧氏體存在確定的位向關系。此外在奧氏體晶粒內部可以發現很多沉淀相，其平均直徑約100 nm。結合形態和衍射結果可以推斷應該是富銅析出相，且該析出相與奧氏體基體完全共格。很顯然，上述分布的沉淀析出相是導致材料流動應力（屈服強度）增大的主要原因之一。

圖7 700℃、時效3 000 h后的透射電鏡觀察照片

3 結論

通過以上一系列的試驗分析及掃描、透射等電子顯微鏡的觀察，對Super304H不銹鋼的材料性能，可得出以下結論：

（1）在室溫至700℃溫度范圍內，隨著溫度升高，Super304H不銹鋼的屈服強度和強度極限均表現出持續下降的特征。

（2）在700℃溫度下，Super304H不銹鋼的強度極限、塑性性能和韌性總體上隨時效增加表現為下降。

（3）時效500 h后，Super304H不銹鋼沖擊值均有明顯下降，之后隨著時效的增加，沖擊值下降不明顯。

（4）500 h時效后，Super304H不銹鋼金相組織有明顯變化，析出物明顯增加，隨著時效的增加，析出物顆粒數量增加不明顯。

（5）原始態Super304H不銹鋼拉伸斷口主要由韌窩構成，隨著時效增加，拉伸斷口呈現出一定的準解理形貌特征，表明材料高溫時效后的脆性現象。

（6）原始態Super304H不銹鋼晶粒內部和晶界總體比較干凈，經3 000 h時效后，Super304H材料中晶界有較多大塊析出相，晶粒內部有較多細小的沉淀相和少量較大尺寸的析出物，從形態和衍射花樣析出相初步判斷為M23C6的碳化物。

[1]劉鴻國，唐麗英，周榮燦.超超臨界機組新型不銹鋼Super304H與HR3C運行后階段性性能試驗研究[G]//中國電機工程學會.600 MW/1 000 MW超超臨界機組新型鋼國產化研討會論文集.2009.

（本文編輯：陸 瑩）

Performance Research of New-type Super304H Material for Heat Surface Pipe of Ultra-supercritical Boiler

LOU Yuming，ZHENG Hongye
（State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310008，China）

In order to learn the performance of new-type Super304H heat-resisting stainless steel widely used in heat surface pipe of ultra-supercritical units，series of test are carried out，including short-time tension test in different temperatures，tension test in different ageing time，shock test in room temperature，phase structure analysis of materials，fracture analysis by scanning electron microscope，high-temperature longtime creep fracture performance test and mechanical property research of in-service furnace tube，etc.The paper concludes performance degradation and structure evolution rule of Super304H heat-resisting steel in simulated service.

ultra-supercritical；boiler；Super304H；mechanical property；microstructure

TK225

B

1007-1881（2015）05-0039-03

2014-12-30

樓玉民（1971），男，高級工程師，主要從事電力系統金屬材料的試驗研究和失效分析工作。