一種新型鐵素體耐熱鋼

符 銳， 趙雙群， 王延峰

(上海發電設備成套設計研究院有限責任公司， 上海 200240)

目前，T91、T92等火電機組常用的w(Cr)=9%～12%(簡稱9%～12%Cr)的鐵素體耐熱鋼最高使用溫度可達620 ℃，600 ℃、105h下的持久強度超過100 MPa，在國內外超臨界火電機組中取得了非常廣泛的應用。隨著超超臨界火電技術的發展，機組蒸汽參數已達到620 ℃，甚至650 ℃以上，此時，常用的9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼在持久強度和耐腐蝕性能方面表現出了明顯的不足。為了能夠滿足650 ℃級別機組的性能需要，鐵素體耐熱鋼的改型和發展主要集中在以下幾個方面[1]：

(1) 采用合金化手段，對現有鐵素體耐熱鋼進行成分微調，以提高合金元素的高溫強化效果。例如：添加固溶元素Co、彌散強化元素Ta、Ti，引入平衡元素Cu。

(2) 根據組織控制原理，通過調整鐵素體耐熱鋼的熱處理工藝，改變其第二相及晶界的分布，從而提高彌散析出強化和晶界強化的效果。

(3) 引入新的加工制造技術，主要包括氧化物彌散強化鋼的制備等。

(4) 通過表面處理技術提高現有鐵素體耐熱鋼的耐腐蝕性能。

但是，上述4個方面的發展，并不能從根本上改善9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼在持久強度和耐腐蝕性能方面的不足。實際上，截至目前也沒有成功開發出既能滿足650 ℃級別機組的性能要求，又在經濟性上比較合理的9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼種。因此，為了使鐵素體耐熱鋼滿足650 ℃級別機組的性能要求，轉而開發含w(Cr)>12%的新型高Cr含量鐵素體耐熱鋼。筆者針對一種新型的w(Cr)=15%的鐵素體耐熱鋼(簡稱15%Cr鋼)進行文獻調研分析，并介紹15%Cr鋼的研究現狀與發展展望。

1 15%Cr鋼概述

2000年，日本國立材料研究所(NIMS)的木村一弘和戶田佳明在日本申請專利[2]，首次披露了一種w(Cr)>13%，含W、Mo和Co且鐵素體相體積分數占70%以上的鐵素體耐熱鋼。該鋼最初的開發思路是在T92的基礎上提高Cr、W含量，添加Co元素，從而獲得比T92更好的析出強化、固溶強化效果及更高的耐腐蝕性能。自2000年至今，經過近二十年的改善和發展，這種新型高Cr含量鐵素體耐熱鋼的化學成分已基本確定，其名義化學成分見表1，其700 ℃、10 000 h下的持久強度與T92相比有較為顯著的優勢。

表1 15%Cr鋼名義化學成分

2 15%Cr鋼高溫強化機制

15%Cr鋼的合金化元素包括W、Co、Ni、Mo和C等，是一種高合金化的析出強化型耐熱鋼，其固溶態組織主要為鐵素體，或鐵素體+少量馬氏體。15%Cr鋼具有比T92更優的持久強度，其強化機制主要包括金屬間化合物和彌散分布的MX型碳氮化物的析出強化，以及Co、Cr、Mo、W和Mn等元素的固溶強化。

2.1 合金元素

2.1.1 W、Co元素

TODA Y等[4]研究了3W-0Co、3W-3Co、6W-0Co和6W-3Co 4種不同成分的完全退火態15%Cr鋼樣品在650 ℃和700 ℃的持久蠕變性能。結果表明：在15%Cr鋼中增加W含量會促進Laves相、μ相，尤其是χ相等金屬間化合物的析出；增加Co含量會促進碳化物M23C6在晶內析出。晶內碳化物M23C6析出強化對短時持久強度有利，χ相等金屬間化合物析出強化對長時持久強度更有利。

2.1.2 C、N元素

TODA Y等[5]在15Cr-1Mo-6W-0.2V-0.05Nb-3Co-0.003B鋼的基礎上，分別添加0.07%(質量分數，下同)的N(0C-7N)、0.10%的C(10C-0N)、0.05%的C和0.03%的N(5C-3N)、0.1%的C和0.08%的N(10C-8N)，設計了4種C、N質量分數不同的15%Cr鋼，并研究了C、N質量分數對15%Cr鋼持久強度的影響。結果表明：添加N元素或聯合添加C、N元素，會促進尺寸為200～300 nm、形態良好的第二相析出，從而提高15%Cr鋼的持久強度；但是若C、N含量過高，析出相粗化長大，并導致周圍出現無析出區，則會弱化15%Cr鋼的長時持久強度。

2.1.3 Ni元素

TODA Y等[6-7]研究了Ni元素對15%Cr鋼的長時持久強度及塑性的影響。結果表明：由于Ni是一種奧氏體穩定化元素， Ni元素含量增加，會提高15%Cr鋼固溶態組織中的馬氏體相體積分數。

圖1為不同Ni質量分數的15%Cr鋼的固溶態金相組織照片，φ(f)為馬氏體相體積分數，分別為10%、16%和22%[7]。加入一定量的Ni元素，能顯著改善15%Cr鋼的持久斷裂塑性：不含Ni的15%Cr鋼，650 ℃時的持久斷裂伸長率不到5%，斷面收縮率不到10%；而w(Ni)=0.4%的15%Cr鋼，650 ℃時的持久斷裂伸長率提高到20%左右，斷面收縮率提高到60%左右。

圖1 15%Cr鋼在1 200 ℃、30 min下的固溶態金相照片

2.2 熱處理

眾所周知，熱處理是影響耐熱鋼組織及性能的重要因素。TODA Y等[6]研究了隨爐冷卻和水冷兩種不同冷卻方式對15%Cr鋼固溶態組織和持久性能的影響。結果表明：與固溶處理+隨爐冷卻相比，固溶處理+水冷后15%Cr鋼中的馬氏體相體積分數較小，塊狀析出相尺寸較小，長大較慢，持久強度較高。

3 15%Cr鋼組織穩定性

文獻[3]中所用15%Cr鋼(表1中成分，下同)由真空感應熔煉、熱軋制成15 mm厚板材，再經1 200 ℃、30 min固溶+水冷處理，其固溶態的金相組織見圖2(圖中基體為鐵素體，有少量馬氏體分布在鐵素體晶粒的晶界和晶內)。

圖2 15%Cr鋼固溶態金相照片

圖3為15%Cr鋼中幾種析出相的體積分數(Thermo-Calc計算結果)[7]，析出相主要有Laves相(Fe2W)、χ相(Fe36Cr12W10)等金屬間化合物，以及M23C6碳化物、Z相(Cr(V,Nb)N)、MX型((V,Nb)(C,N))碳氮化物等。在650～750 ℃，Laves相和χ相的總體積分數接近或超過10%，由于Laves相的分解有利于χ相的析出，二者存在“此消彼長”的關系。

圖3 15%Cr鋼中析出相體積分數

圖4為15%Cr鋼持久斷裂試樣的背散射電子顯微組織照片[3,7]。

圖4 15%Cr鋼持久斷裂樣品背散射照片

由圖4(a)可以看出：只在鐵素體基體中發現有金屬間化合物析出，這是由于鐵素體基體中W、Mo元素含量較高，促進了持久試驗過程中金屬間化合物的析出[3,7]。由圖4(b)可以看出：由于溫度提高、時間增長，鐵素體、馬氏體中均有金屬間化合物析出，且針狀的析出相有長大的趨勢。由圖4(c)可以看出：析出相顆粒尺寸顯著長大，馬氏體晶粒中均勻分布尺寸約1 μm的金屬間化合物析出相，M23C6碳化物主要析出在馬氏體與鐵素體分界處，碳化物在馬氏體與鐵素體分界處析出和長大，與碳元素從馬氏體相向鐵素體相的擴散過程有關[3]。15%Cr鋼在750 ℃溫度下持久試驗8 000 h，析出相分布均勻，最大尺寸為1 μm左右，沒有發生惡性粗化。

4 15%Cr鋼持久蠕變性能

T92是目前國內火電機組中常用的、持久強度水平最高的鐵素體耐熱鋼之一，圖5為15%Cr鋼與傳統的T92在650 ℃、700 ℃和750 ℃的持久強度對比[3]。

圖5 15%Cr鋼與T92在650 ℃、700 ℃和750 ℃持久強度對比

由圖5可以看出，15%Cr鋼的持久強度與T92相比有著明顯的優勢。在700 ℃和750 ℃，15%Cr鋼的持久斷裂時間顯著長于T92，持久時間延長到一定程度，二者的持久強度都有“下折”的趨勢，但是在10 000 h處，15%Cr鋼的持久強度仍高于T92。

圖6為15%Cr鋼在650 ℃、700 ℃和750 ℃的蠕變曲線[3]。由圖6可以看出，曲線可分為瞬態蠕變階段和加速蠕變階段，沒有明顯的穩態蠕變階段。

圖6 15%Cr鋼在650 ℃、700 ℃和750 ℃蠕變曲線

5 結語

筆者針對新型15%Cr鋼進行文獻調研分析，從強化機理、組織穩定性和持久蠕變強度3個方面介紹了15%Cr鋼的研究現狀，可以得出以下結論：

(1) W、Co、C、N、Ni等合金元素的含量和固溶冷卻方式會影響15%Cr鋼的持久性能。在15%Cr鋼中增加W含量會促進Laves相、μ相，尤其是χ相等金屬間化合物的析出；增加Co含量會促進碳化物M23C6在晶內析出。晶內碳化物M23C6析出強化對短時持久強度有利，χ相等金屬間化合物析出強化對長時持久強度更有利。添加N元素或聯合添加C、N元素，會促進尺寸為200～300 nm、形態良好的第二相析出，從而提高15%Cr鋼的持久強度；但是若C、N含量過高，析出相粗化長大，并導致周圍出現無析出區，會弱化15%Cr鋼的長時持久強度。加入一定量的Ni元素，能顯著改善15%Cr鋼的持久斷裂塑性。與固溶處理+隨爐冷卻相比，固溶處理+水冷后15%Cr鋼中的馬氏體相體積分數較小，塊狀析出相尺寸較小，長大較慢，持久強度較高。

(2) 15%Cr鋼在750℃溫度下持久試驗8 000 h，析出相分布均勻，最大尺寸為1 μm左右，沒有發生惡性粗化，15%Cr鋼具有較好的組織穩定性。

(3) 通過650 ℃、700 ℃和750 ℃持久強度對比，15%Cr鋼的持久強度與T92相比有較為明顯的優勢。

綜上所述，15%Cr鋼具有較好的組織穩定性，以及比傳統9%～12%Cr鐵素體耐熱鋼更優的高溫持久強度和預期更強抗蒸汽氧化性能，將有可能用于650 ℃超超臨界火電機組高溫部件。