GH984G合金管高溫持久性能及組織穩(wěn)定性研究

王婷婷,徐松乾

(寶武特種冶金有限公司,上海 200940)

燃煤發(fā)電占我國(guó)電力的60%～70%,為進(jìn)一步提高煤電轉(zhuǎn)化效率,高蒸汽參數(shù)超超臨界電站已成為我國(guó)火電機(jī)組的發(fā)展方向[1-2]。目前,世界范圍內(nèi)最先進(jìn)超超臨界火電機(jī)組的蒸汽參數(shù)為600 ℃,而且我國(guó)已經(jīng)成為世界上投運(yùn)600 ℃超超臨界電站裝機(jī)數(shù)量和總?cè)萘孔疃嗟膰?guó)家。當(dāng)前,國(guó)家能源局已批復(fù)630 ℃超超臨界二次再熱機(jī)組示范項(xiàng)目。面向未來(lái),我國(guó)及歐美、日本、韓國(guó)等正在研制650～700 ℃蒸汽參數(shù)超超臨界火電機(jī)組[3-5]。

耐熱材料一直以來(lái)是制約煤電機(jī)組向更高參數(shù)發(fā)展的“卡脖子”問(wèn)題。隨著蒸汽溫度和蒸汽壓力的提高,超超臨界火電機(jī)組對(duì)耐熱材料的性能提出了更高的要求,主要表現(xiàn)為更高的高溫持久、蠕變強(qiáng)度,良好的抗氧化和耐蝕性能,優(yōu)異的組織穩(wěn)定性,良好的冷、熱加工性能、焊接性能等[6-7]。由于650～700 ℃超超臨界火電機(jī)組對(duì)耐熱材料的性能提出了更高要求,600～630 ℃超超臨界火電機(jī)組所使用的S30432、S31042等奧氏體耐熱鋼已不能滿足要求,但目前國(guó)際上尚無(wú)成熟的材料可選用,因此必須開(kāi)發(fā)能夠在650～750 ℃長(zhǎng)期穩(wěn)定服役的耐熱材料[4-9]。GH984G合金是我國(guó)自主開(kāi)發(fā)的一種鎳鐵基高溫合金,具有優(yōu)異的抗氧化、抗腐蝕性能,同時(shí)具有低成本等特點(diǎn),是我國(guó)650～700 ℃超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組的重要候選材料。寶武特冶聯(lián)合中科院金屬所采用工業(yè)化模式開(kāi)發(fā)了GH984G合金管,以滿足我國(guó)首個(gè)700 ℃超超臨界電站材料驗(yàn)證試驗(yàn)平臺(tái)的需求。

持久強(qiáng)度作為超超臨界機(jī)組用耐熱材料最重要的性能之一,可以模擬服役過(guò)程中溫度和應(yīng)力對(duì)材料組織性能的影響。本文研究了650～700 ℃高參數(shù)超超臨界火電機(jī)組用GH984G合金管的700 ℃持久性能及相應(yīng)溫度下的組織穩(wěn)定性,為GH984G合金管實(shí)際應(yīng)用提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論支持。

1 試驗(yàn)方法

以工業(yè)化生產(chǎn)的規(guī)格為φ75 mm×11 mm的GH984G合金管為研究對(duì)象,主要化學(xué)成分見(jiàn)表1。GH984G合金管的生產(chǎn)流程為:真空感應(yīng)+真空自耗冶煉→鍛造管坯→熱擠壓+冷軋制管→熱處理。合金管的熱處理工藝為1 160 ℃×35 min/水冷+750 ℃×12 h/空冷。從熱處理態(tài)的管材上取縱向試樣進(jìn)行持久性能檢測(cè)分析。持久試驗(yàn)溫度采用該合金擬服役溫度700 ℃,持久應(yīng)力分別為400、350、300、250和200 MPa等。對(duì)已經(jīng)發(fā)生持久斷裂的試樣沿縱向剖開(kāi),如圖1所示,重點(diǎn)觀察①位置和②位置,其中①位置為斷口處,②位置為夾持端。

表1 GH984G合金管主要成分 Table 1 The main compositions of GH984G alloy tube %

持久性能測(cè)試在Bπ-2 型持久試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,檢測(cè)依據(jù)為GB/T 2039—2012;微觀組織觀察采用金相顯微鏡和EVO MA25掃描電鏡;采用5 g FeCl3+50mL HCl+50mL H2O 溶液進(jìn)行腐蝕。

2 試驗(yàn)結(jié)果

圖2為GH984G合金管的700 ℃持久性能。在目前GH984G合金管持久試驗(yàn)數(shù)據(jù)中,最長(zhǎng)持久壽命數(shù)據(jù)為200 MPa/19 144 h。使用對(duì)數(shù)法對(duì)GH984G合金管持久斷裂時(shí)間與應(yīng)力的關(guān)系進(jìn)行擬合,可以得到GH984G合金管105h外推持久強(qiáng)度為153.8 MPa。為了保證電站穩(wěn)定運(yùn)行30～40年,650～700 ℃先進(jìn)超超臨界機(jī)組對(duì)高溫材料高溫持久蠕變性能要求是105h的外推持久強(qiáng)度大于100 MPa,這對(duì)國(guó)內(nèi)外的很多高溫材料構(gòu)成嚴(yán)重挑戰(zhàn)。通過(guò)圖2可以看出,工業(yè)試制的GH984G合金管能夠很好地滿足持久性能要求。

觀察持久斷口附近縱截面組織,見(jiàn)圖3。可以看出,持久過(guò)程中晶粒沿正應(yīng)力方向發(fā)生明顯變形,部分晶界有開(kāi)裂現(xiàn)象;高倍下發(fā)現(xiàn)晶界上的碳化物與基體界面有微孔存在,可以推測(cè)在高溫持久試驗(yàn)過(guò)程中,因?yàn)榫Ы缣蓟锱c基體塑性變形不協(xié)調(diào)而產(chǎn)生脫離,形成微孔,從而成為持久斷裂的裂紋源,這些形成的微孔在隨后的持久試驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)一步長(zhǎng)大、聚合,直至引起材料的斷裂。

3 試驗(yàn)分析與討論

持久性能的表現(xiàn)與高溫下材料的組織穩(wěn)定性密切相關(guān)。為了進(jìn)一步了解GH984G合金管高溫下的組織穩(wěn)定性及其對(duì)持久性能的影響,選擇了不同持久壽命試樣的螺紋區(qū)位置進(jìn)行分析。與持久斷口區(qū)相比,螺紋區(qū)位置基本不受應(yīng)力作用,但與斷口區(qū)經(jīng)歷了相同的熱過(guò)程(相當(dāng)于長(zhǎng)時(shí)時(shí)效),分析不同持久壽命試樣螺紋區(qū)位置的組織變化情況,可以獲取GH984G合金管高溫下的組織變化。

圖4給出了熱處理態(tài)及持久壽命為2 456、8 941、19 144 h對(duì)應(yīng)的螺紋區(qū)的晶粒組織。與熱處理態(tài)相比,經(jīng)歷700 ℃時(shí)效后,隨著時(shí)間延長(zhǎng),晶粒沒(méi)有發(fā)生明顯粗化。

圖5給出了熱處理態(tài)及持久壽命為2 456、8 941、19 144 h對(duì)應(yīng)的螺紋區(qū)的晶界析出相變化。可以看出,隨著經(jīng)歷700 ℃時(shí)間的延長(zhǎng),晶界M23C6碳化物形貌由剛開(kāi)始的斷鏈狀逐漸粗化并連接。粗化的M23C6會(huì)導(dǎo)致持久過(guò)程中與基體產(chǎn)生微孔,最終成為持久裂紋源。值得注意的是,在700 ℃下時(shí)效長(zhǎng)達(dá)19 144 h,雖然晶界M23C6有粗化趨勢(shì),但沒(méi)有發(fā)現(xiàn)η相等有害相析出[10],良好的組織穩(wěn)定性為GH984G合金管持久壽命奠定了良好的基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

(1) GH984G合金管700 ℃持久性能優(yōu)異,105h的外推持久強(qiáng)度為153.8 MPa。

(2) 經(jīng)歷700 ℃長(zhǎng)時(shí)時(shí)效后,隨著時(shí)間延長(zhǎng),晶界碳化物逐漸粗化,′相粒徑逐漸粗化但保持球狀并呈均勻彌散分布,在700 ℃下時(shí)效長(zhǎng)達(dá)19 144 h仍未發(fā)現(xiàn)有害相析出。良好的組織穩(wěn)定性保障了GH984G合金管的700 ℃持久性能。