奥氏体系耐热钢热处理的研究动向
时间：2019-06-13
作者：无锡不锈钢板
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为减少CO2的排放量，对A-USC设备进行广泛的研究开发。23Cr-45Ni-7W合金（ASTM UNS N06674）是一种通过强化Laves相析出来提高蠕变强度的材料，它是A-USC设备中的高温蒸汽配管和锅炉管的替补材料。锅炉管在施工时有时要进行冷弯曲，因此要弄清在加工时的特性变化。有研究报告就冷加工对该合金的蠕变强度特性的影响进行了评价。
对耐热强度比以往的耐热钢好的Ni基超合金在700℃级A-USC汽轮机的透平叶轮的应用进行了研究。作为A-USC透平叶轮用Ni基合金，开发了Ni-0.05C-18Cr-13Co-9Mo-1.3Al-1.4Ti-0.1Ta-0.3Nb合金，该合金以铬镍铁耐热合金617（ASTM UNS N06617）为基础材料，对合金成分进行了调整改进。有研究报告就热处理条件对该合金的机械性能的影响进行了研究。
作为可应用于蒸汽温度达700℃级的超超临界压力（A-USC）发电机组的叶轮箱和喷嘴箱等的铸造部件的Ni基合金材料，有研究报告就Al和Ti添加量对Ni-0.07C-13Cr-9Mo-19Cr-0.1Ta-0.3Nb-Al-Ti合金机械性能的影响进行了评价。该合金在以ASTM UNS N06617（相当于合金617）为基础的材料中复合添加了Ta和Nb。
有研究报告研究了析出强化型锻造Ni基超合金Ni-19Cr-12Co-6Mo-2Al-3Ti-1W-0.05C-0.005B合金在700℃级A-USC汽轮机用旋转部件应用的情况。结果可知，作为金属互化物的相在喷管温度850℃时会以针状析出。因此，对时效材进行了低循环疲劳试验和抗拉试验，研究了相对机械性能的影响。
为使Fe-18.4Cr-31.0Ni-3.3Nb合金能应用于蒸汽温度达700℃级的A-USC机组，提出了新的Fe-18.4Cr-31.0Ni-3.3Nb合金（mass%），它以含有Nb的金属互化物作为强化相。该合金的晶界几乎被作为TCP相的Laves相所覆盖，且由于晶粒内有GCP相的Ni3Nb相的析出，因此具有良好的高温强度。为提高耐热材料的耐蚀性，必须添加Cr，但关于该合金的Cr添加量与组织的关系尚不明确。因此，有研究者以18Cr添加材为基础，对Cr添加量的增减量在1623mass%时的组织变化和蠕变特性的关系进行介绍。
为提高火力发电设备的发电效率，因此积极推进了700℃超级超超临界压（A-USC）发电设备的开发。在这些开发项目中（有欧洲的Thermie700和美国的DOE-Vision21等），作为可在严酷环境下使用的锅炉设备的标准替代材料之一是合金617（JIS-NW6617）。因此，有研究报告对NW6617的高温抗拉特性和各种波形的低循环疲劳特性进行了评价，并结合断面观察，弄清了详细的高温强度特性，同时对蠕变疲劳寿命的损伤进行了评价。尤其是，通过奥氏体系耐热钢和高铬铁素体系耐热钢等的比较，弄清了NW6617高温特性的特征。
Fe-Ni合金HR6W（Fe-23Cr-45Ni-5/7W-Ti,Nb）是A-USC锅炉用配管的替代材料。众所周知，锅炉配管一般是大口径管，焊接时在焊接热影响区会发生残余应力。作为降低这种残余应力的方法有SR（应力消除）处理法，但它对HR6W的处理条件尚不明确。因此，为确认SR处理条件，对SR处理后的显微组织变化、焊接后的材质和母材进行了应力松驰试验。其后，有研究报告对HR6W经SR处理后的蠕变断裂强度进行了调查。
为开发新一代高效700℃级A-USC设备，至今已开发了各种各样的合金。尤其是，最近以含有Nb的金属间互化物作为强化相的新型Fe-18.4Cr-31.0Ni-3.3Nb合金（mass%）的研究也正在积极进行之中。有研究者对这种合金在Cr添加量变化时的组织变化和蠕变特性进行了调查，发现当Cr添加量达到23mass%时，蠕变强度会大大下降。因此，为使晶内强化相更加细化稳定，选择了Zr作为添加元素，并研究了Zr的添加对Cr合金的组织变化和蠕变特性变化的影响。
为开发700℃级A-USC发电设备，对以两个金属间互化物（TCP相和GCP相）作为强化相的新型奥氏体系耐热钢Fe-20Cr-30Ni-2Nb（at.%）进行了设计。该钢可以满足A-USC锅炉管所要求的特性（700℃、105h蠕变断裂强度100MPa以上），这是因为Fe2Nb-Laves相（TCP相）可以强化晶间析出所致。因此，为弄清这种强化机理在800℃级发电设备（FA-USC）的应用，有研究报告对只有Laves相析出的1073K蠕变特性进行了调查，主要着眼于晶界Laves相来研究它与组织的关系。
因晶界TCP-Fe2NbLaves相和晶内GCP-Ni3Nb相而受到强化的Fe-20Cr-30Ni-2Nb（at.%）的蠕变强度远远高于现有钢种。该钢基本满足了700℃级A-USC发电设备的目标值（700℃、100MPa、105h）。而且，对可用于更高蒸汽温度800℃的耐热钢进行了设计。在锅炉管内800℃的水蒸汽环境下为维持材料的蠕变强度，材料的抗氧化特性也是很重要的。因此，有研究报告对该钢在模拟实际发电设备锅炉管在水蒸汽气氛条件下的蠕变行为进行了调查，并与在大气中的试验结果进行了比较。
作为可用于700℃级A-USC发电机组锅炉管的新型耐热钢，提出了Fe-20Cr-30Ni-2Nb钢，实际使用表明该钢通过使TCP相（Fe2Nb-）向晶界析出和使GCP相（Ni3Nb-）向晶内析出而具有良好的蠕变特性。它为可承受蒸汽温度达800℃的超耐热钢的开发提供了帮助。如果构成两种化合物的过渡金属元素M是不同的，那么通过独立控制晶界（Fe2M1）和晶内（Ni3M2）的组织，就可以进一步提高强度。因此，从-Fe/TCP相间的相平衡的观点来看，有研究报告指出可以在固定Nb后选择过渡金属元素M作为Fe-Ni-Nb-M4元系金属，并对/TCP/GCP相间的相平衡和Nb及M在各相的分配进行了研究。