P92鋼中Laves析出相演化規律研究

王志成，葉有俊，王一寧，姜 勇，張鵬鵬，鞏建鳴

（1.江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院，江蘇 南京 210036；2.南京工業大學 機械與動力工程學院，江蘇 南京 211816）

近年來國內外大力推進節能減排，促進了超超臨界發電技術的開發及其應用研究［1］。新材料P92鋼（9Cr-0.5Mo-1.8W-V-Nb）是超超臨界發電機組厚壁部件首選用鋼之一，其類型為馬氏體耐熱鋼，性能方面的特點是蠕變強度高、抗氧化性能優、導熱系數高、熱膨脹系數低而且可抗應力腐蝕開裂［2-4］。

P92鋼的性能會隨著服役時間的增加逐漸劣化，同時P92鋼在服役過程中會析出M23C6相、MX相、Laves相以及Z相等第二相。有研究表明，第二相的析出是影響材料析出強化的重要因素，其中Laves相的析出主要在原奧氏體晶界以及亞晶界處。Laves相形成初期的尺寸較小，能夠在晶界處形成釘扎作用，這種作用有提高材料蠕變強度的效果。但Laves相也會消耗材料基體中的W元素和Mo元素而變得粗大，隨著P92鋼服役時間的延長，Laves相將造成固溶強化的下降，使材料的蠕變強度下降。Jae Seung Lee等［5］通過蠕變試驗研究發現，應力能夠增強原子的擴散，加速Laves相形核，因而對于Laves相的形成具有促進作用。此外，Laves相顆粒經過聚集和粗化后，當尺寸增加到一定程度時會誘發蠕變孔洞的形核。文中進行了P92鋼的等溫時效試驗和恒載荷蠕變間斷試驗，從數量、尺寸等方面研究服役時間對Laves相析出的影響。

1 試驗材料和方法

試驗用P92鋼管為?390 mm×70 mm的主蒸汽管新材料。主蒸汽管實際操作壓力為26 MPa，操作溫度為600℃。P92鋼管元素組成見表1。

表1 P92鋼管元素組成 %

2 P92鋼等溫時效計算

材料劣化需要經歷一個漫長的服役過程，按照實際工況獲取用于研究的劣化材料非常費時。為了加快研究進程，采用等溫時效試驗和蠕變加速試驗獲得所需要的研究材料。

2.1 計算原理

2.1.1 回火參數

在上世紀 50 年代，Holloman 和 Jaffe［6］等研究了回火溫度和時間對于碳鋼回火硬度的影響，提出了以下的回火參數經驗計算公式。

式中，HT為回火后的硬度；PT為回火參數；T為回火溫度，K；C為與材料成分有關的參數，對于P92鋼，C 取 20［7］； tT為回火時間，h。

2.1.2 熱強參數

Larson-Miller［8］研究了金屬材料在高溫、高壓環境中長期服役受到的溫度與時間的綜合影響，在回火硬度經驗計算式的基礎上提出了熱強參數及其經驗計算公式。

式中，Pσ為Larson-Miller參數；T＇為蠕變試驗溫度，K； t為蠕變試驗時間，h。

2.1.3 時效公式

式（2）與式（3）在使用上有區別，PT僅用于鋼的回火計算，而Pσ則用于鋼在高溫條件下的蠕變計算等。研究表明［9-16］，不同溫度和時間下的時效及蠕變試驗可以通過式（4）進行統一。

式中，T1為材料的試驗溫度，T2為材料的服役溫度，K。t1為材料的試驗時間，t2為材料的服役時間，h。

2.2 計算結果

P92鋼劣化試驗采用650℃等溫時效處理模擬600℃的實際服役工況，使用式（4）計算實際服役時間對應的加速試驗時效時間，結果見表2。

表2 P92鋼650℃等溫時效對應的600℃實際工況服役時間 h

3 P92鋼恒載荷蠕變試驗

在650℃條件下進行P92鋼試樣的90 MPa恒載荷蠕變試驗，得到了試驗條件下P92鋼的蠕變曲線（圖 1）和蠕變試驗時間分別為 200、500、1 000、2 000、3 000以及 5 000 h的服役后樣品。由圖1可知，P92鋼的斷裂時間約為6 000 h，該條件下蠕變可以分為3個階段，第一階段持續時間非常短，第二階段蠕變速率較為穩定，第三階段蠕變速率不斷增加。

圖1 650℃及90 MPa下P92鋼試驗蠕變曲線

4 蠕變試驗后P92鋼掃描電鏡分析

對650℃、90 MPa條件下恒載荷蠕變試驗得到的P92鋼試樣進行掃描電鏡背散射電子像觀察，得到的微觀組織形貌結果見圖2。圖2中可觀察到呈明亮和灰色分布的2種類型的析出物，在圖上各選一個代表分別標記為A析出物和B析出物。

圖2 蠕變試驗后P92鋼試樣電鏡掃描電子圖像（1 000×）

對A析出物和B析出物分別進行EDS能譜分析，得到的能譜分析圖見圖3和圖4。

圖3 蠕變試驗后P92鋼試樣中A析出物EDS能譜圖

圖4 蠕變試驗后P92鋼試樣中B析出物EDS能譜圖

圖3顯示，A析出相富含W和Mo元素；圖4顯示，B析出相富含Cr元素。 有研究表明［17-18］，P92鋼中這種出現在材料中的相對明亮的析出相為Laves相，相對較暗的顆粒物對應的析出相為MX相和M23C6相。采用SEM面掃技術對650℃、90 MPa條件下恒載荷蠕變試驗得到的P92鋼試樣中的A析出物進行檢測，進一步驗證了明亮析出相中富含W以及Mo元素，即為Laves相。

5 不同試驗條件下P92鋼Laves析出相演化規律

5.1 等溫時效試驗條件下

進行650℃等溫條件下，時效時間為500、1 000、2 000、5 000、8 000、11 000 h 的 P92 鋼試樣等溫時效試驗，對得到的P92鋼試樣背散射掃描電鏡圖像進行二值化處理，結果見圖5～圖10。

圖5 650℃時效500 h后P92鋼試樣Laves相二值化處理圖

圖6 650℃時效1 000 h后P92鋼試樣Laves相二值化處理圖

圖7 650℃時效2 000 h后P92鋼試樣Laves相二值化處理圖

圖8 650℃時效5 000 h后P92鋼試樣Laves相二值化處理圖

圖9 650℃時效8 000 h后P92鋼試樣Laves相二值化處理圖

圖10 650℃時效11 000 h后P92鋼試樣Laves相二值化處理圖

為保證測量值的準確度，在每個P92鋼試樣的Laves相二值化處理圖上選取15個區域，利用Image J軟件對選取區域中Laves相顆粒的數量、平均尺寸以及面積占比進行統計并取平均值，繪制成等溫時效條件下的Laves相演變規律曲線，見圖11～圖13。

圖11 等溫時效試驗P92鋼Laves相顆粒平均數量與時效時間關系

圖12 等溫時效試驗P92鋼Laves相顆粒平均尺寸與時效時間關系

圖13 等溫時效試驗P92鋼Laves相顆粒平均面積占比與時效時間關系

圖11和圖12顯示，時效時間3 000 h前，Laves相顆粒平均數量和平均尺寸均呈快速增加趨勢；時效時間達到3 000 h后，Laves相顆粒數量開始呈現下降趨勢，但相顆粒平均尺寸依然在不斷增加，最終在時效時間達到8 000 h以后基本穩定。

圖13顯示，面積占比在時效時間2 000 h以內同樣呈現快速增加的趨勢，但當時效時間達到3 000 h以后，其變化量較小。

分析圖11～圖13顯示的量化趨勢，得到的P92鋼Laves析出相演化規律為，P92鋼在時效試驗初期，Laves相從基體中快速析出，其顆粒數量、平均尺寸以及總面積占比快速增大；隨著時效時間的不斷增加，Laves相趨于飽和，開始不斷地聚集和粗化，其數量開始減少而尺寸依然不斷增大；當時效時間達到8 000 h以后，Laves相已經發生嚴重粗化。

5.2 恒載荷蠕變間斷試驗條件下

對650℃、90 MPa條件下，蠕變間斷時間為200、500、1 000、2 000、3 000、5 000 h 的 P92 鋼試樣的背散射掃描電鏡圖像進行二值化處理，結果見圖14～圖19。

圖14 200 h蠕變間斷試驗后P92鋼試樣Laves相二值化處理圖

圖15 500 h蠕變間斷試驗后P92鋼試樣Laves相二值化處理圖

圖16 1 000 h蠕變間斷試驗后P92鋼試樣Laves相二值化處理圖

圖17 2 000 h蠕變間斷試驗后P92鋼試樣Laves相二值化處理圖

圖18 3 000 h蠕變間斷試驗后P92鋼試樣Laves相二值化處理圖

圖19 5 000 h蠕變間斷試驗后P92鋼試樣Laves相二值化處理圖

為保證測量值的準確度，在每個P92鋼試樣的Laves相二值化處理圖上選取15個區域，利用Image J軟件對選取區域中Laves相顆粒的數量、平均尺寸以及面積占比進行統計并取平均值，繪制成等溫時效條件下的Laves相演變規律曲線，見圖20～圖22。

圖21 蠕變間斷試驗P92鋼Laves相顆粒平均尺寸與蠕變時間關系

圖22 蠕變間斷試驗P92鋼Laves相顆粒平均面積占比與蠕變時間關系

圖20～圖22顯示出與圖11～圖13相似的變化趨勢，Laves相在蠕變時間達到200 h時已經快速析出，其數量在蠕變初期快速增加，后逐漸減少。平均尺寸以及總面積占比在整個蠕變過程中一直保持上升趨勢。

5.3 演化規律對比

綜合分析時效試驗（圖11～圖13）和蠕變間段試驗（圖20～圖22）結果可知，Laves相在蠕變條件下開始析出時間有所提前，約200 h即可明顯觀察到其存在。相同試驗時間下，蠕變試樣中Laves相的數量以及總面積占比等均高于時效試驗試樣中的數值，由此可知應力對于Laves相的析出具有一定的促進作用。

6 結論

基于文中2種鋼材試驗方法及試驗后P92鋼試樣的微觀分析及探討，研究了P92鋼中Laves析出相的演化規律，得到如下的結論。

（1）Laves相富含W元素和Mo元素，其主要形式為 A2B，其中 A為 Fe、Cr等元素，B為 Mo、W等元素，隨著試驗時間的延長不斷析出及粗化。

（2）Laves相顆粒受時間影響顯著，試驗初期其尺寸、數量以及面積占比快速增加。隨著時間的延長，Laves相漸趨飽和，并開始不斷聚集和粗化，表現為數量的小幅下降。粗化程度進一步加重時，其總體含量基本保持不變。

（3）在相同溫度與時間條件下，蠕變試樣中Laves相顆粒數量與面積占比均高于時效試樣的測量值，因此應力在一定程度上能促進Laves相的析出與粗化。