P92鋼中Laves析出相演化規(guī)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(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，江蘇 南京 210036；2.南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 南京 211816）

近年來國內(nèi)外大力推進(jìn)節(jié)能減排，促進(jìn)了超超臨界發(fā)電技術(shù)的開發(fā)及其應(yīng)用研究［1］。新材料P92鋼（9Cr-0.5Mo-1.8W-V-Nb）是超超臨界發(fā)電機(jī)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(diǎn)是蠕變強(qiáng)度高、抗氧化性能優(yōu)、導(dǎo)熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)低而且可抗應(yīng)力腐蝕開裂［2-4］。

P92鋼的性能會(huì)隨著服役時(shí)間的增加逐漸劣化，同時(shí)P92鋼在服役過程中會(huì)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(qiáng)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(qiáng)度的效果。但Laves相也會(huì)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(shí)間的延長，Laves相將造成固溶強(qiáng)化的下降，使材料的蠕變強(qiáng)度下降。Jae Seung Lee等［5］通過蠕變?cè)囼?yàn)研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力能夠增強(qiáng)原子的擴(kuò)散，加速Laves相形核，因而對(duì)于Laves相的形成具有促進(jìn)作用。此外，Laves相顆粒經(jīng)過聚集和粗化后，當(dāng)尺寸增加到一定程度時(shí)會(huì)誘發(fā)蠕變孔洞的形核。文中進(jìn)行了P92鋼的等溫時(shí)效試驗(yàn)和恒載荷蠕變間斷試驗(yàn)，從數(shù)量、尺寸等方面研究服役時(shí)間對(duì)Laves相析出的影響。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)用P92鋼管為?390 mm×70 mm的主蒸汽管新材料。主蒸汽管實(shí)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(shí)效計(jì)算

材料劣化需要經(jīng)歷一個(gè)漫長的服役過程，按照實(shí)際工況獲取用于研究的劣化材料非常費(fèi)時(shí)。為了加快研究進(jìn)程，采用等溫時(shí)效試驗(yàn)和蠕變加速試驗(yàn)獲得所需要的研究材料。

2.1 計(jì)算原理

2.1.1 回火參數(shù)

在上世紀(jì) 50 年代，Holloman 和 Jaffe［6］等研究了回火溫度和時(shí)間對(duì)于碳鋼回火硬度的影響，提出了以下的回火參數(shù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。

式中，HT為回火后的硬度；PT為回火參數(shù)；T為回火溫度，K；C為與材料成分有關(guān)的參數(shù)，對(duì)于P92鋼，C 取 20［7］； tT為回火時(shí)間，h。

2.1.2 熱強(qiáng)參數(shù)

Larson-Miller［8］研究了金屬材料在高溫、高壓環(huán)境中長期服役受到的溫度與時(shí)間的綜合影響，在回火硬度經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式的基礎(chǔ)上提出了熱強(qiáng)參數(shù)及其經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。

式中，Pσ為Larson-Miller參數(shù)；T＇為蠕變?cè)囼?yàn)溫度，K； t為蠕變?cè)囼?yàn)時(shí)間，h。

2.1.3 時(shí)效公式

式（2）與式（3）在使用上有區(qū)別，PT僅用于鋼的回火計(jì)算，而Pσ則用于鋼在高溫條件下的蠕變計(jì)算等。研究表明［9-16］，不同溫度和時(shí)間下的時(shí)效及蠕變?cè)囼?yàn)可以通過式（4）進(jìn)行統(tǒng)一。

式中，T1為材料的試驗(yàn)溫度，T2為材料的服役溫度，K。t1為材料的試驗(yàn)時(shí)間，t2為材料的服役時(shí)間，h。

2.2 計(jì)算結(jié)果

P92鋼劣化試驗(yàn)采用650℃等溫時(shí)效處理模擬600℃的實(shí)際服役工況，使用式（4）計(jì)算實(shí)際服役時(shí)間對(duì)應(yīng)的加速試驗(yàn)時(shí)效時(shí)間，結(jié)果見表2。

表2 P92鋼650℃等溫時(shí)效對(duì)應(yīng)的600℃實(shí)際工況服役時(shí)間 h

3 P92鋼恒載荷蠕變?cè)囼?yàn)

在650℃條件下進(jìn)行P92鋼試樣的90 MPa恒載荷蠕變?cè)囼?yàn)，得到了試驗(yàn)條件下P92鋼的蠕變曲線（圖 1）和蠕變?cè)囼?yàn)時(shí)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(shí)間約為6 000 h，該條件下蠕變可以分為3個(gè)階段，第一階段持續(xù)時(shí)間非常短，第二階段蠕變速率較為穩(wěn)定，第三階段蠕變速率不斷增加。

圖1 650℃及90 MPa下P92鋼試驗(yàn)蠕變曲線

4 蠕變?cè)囼?yàn)后P92鋼掃描電鏡分析

對(duì)650℃、90 MPa條件下恒載荷蠕變?cè)囼?yàn)得到的P92鋼試樣進(jìn)行掃描電鏡背散射電子像觀察，得到的微觀組織形貌結(jié)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(gè)代表分別標(biāo)記為A析出物和B析出物。

圖2 蠕變?cè)囼?yàn)后P92鋼試樣電鏡掃描電子圖像（1 000×）

對(duì)A析出物和B析出物分別進(jìn)行EDS能譜分析，得到的能譜分析圖見圖3和圖4。

圖3 蠕變?cè)囼?yàn)后P92鋼試樣中A析出物EDS能譜圖

圖4 蠕變?cè)囼?yàn)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(xiàn)在材料中的相對(duì)明亮的析出相為Laves相，相對(duì)較暗的顆粒物對(duì)應(yīng)的析出相為MX相和M23C6相。采用SEM面掃技術(shù)對(duì)650℃、90 MPa條件下恒載荷蠕變?cè)囼?yàn)得到的P92鋼試樣中的A析出物進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)一步驗(yàn)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(yàn)條件下P92鋼Laves析出相演化規(guī)律

5.1 等溫時(shí)效試驗(yàn)條件下

進(jìn)行650℃等溫條件下，時(shí)效時(shí)間為500、1 000、2 000、5 000、8 000、11 000 h 的 P92 鋼試樣等溫時(shí)效試驗(yàn)，對(duì)得到的P92鋼試樣背散射掃描電鏡圖像進(jìn)行二值化處理，結(jié)果見圖5～圖10。

圖5 650℃時(shí)效500 h后P92鋼試樣Laves相二值化處理圖

圖6 650℃時(shí)效1 000 h后P92鋼試樣Laves相二值化處理圖

圖7 650℃時(shí)效2 000 h后P92鋼試樣Laves相二值化處理圖

圖8 650℃時(shí)效5 000 h后P92鋼試樣Laves相二值化處理圖

圖9 650℃時(shí)效8 000 h后P92鋼試樣Laves相二值化處理圖

圖10 650℃時(shí)效11 000 h后P92鋼試樣Laves相二值化處理圖

為保證測(cè)量值的準(zhǔn)確度，在每個(gè)P92鋼試樣的Laves相二值化處理圖上選取15個(gè)區(qū)域，利用Image J軟件對(duì)選取區(qū)域中Laves相顆粒的數(shù)量、平均尺寸以及面積占比進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并取平均值，繪制成等溫時(shí)效條件下的Laves相演變規(guī)律曲線，見圖11～圖13。

圖11 等溫時(shí)效試驗(yàn)P92鋼Laves相顆粒平均數(shù)量與時(shí)效時(shí)間關(guān)系

圖12 等溫時(shí)效試驗(yàn)P92鋼Laves相顆粒平均尺寸與時(shí)效時(shí)間關(guān)系

圖13 等溫時(shí)效試驗(yàn)P92鋼Laves相顆粒平均面積占比與時(shí)效時(shí)間關(guān)系

圖11和圖12顯示，時(shí)效時(shí)間3 000 h前，Laves相顆粒平均數(shù)量和平均尺寸均呈快速增加趨勢(shì)；時(shí)效時(shí)間達(dá)到3 000 h后，Laves相顆粒數(shù)量開始呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但相顆粒平均尺寸依然在不斷增加，最終在時(shí)效時(shí)間達(dá)到8 000 h以后基本穩(wěn)定。

圖13顯示，面積占比在時(shí)效時(shí)間2 000 h以內(nèi)同樣呈現(xiàn)快速增加的趨勢(shì)，但當(dāng)時(shí)效時(shí)間達(dá)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(shì)，得到的P92鋼Laves析出相演化規(guī)律為，P92鋼在時(shí)效試驗(yàn)初期，Laves相從基體中快速析出，其顆粒數(shù)量、平均尺寸以及總面積占比快速增大；隨著時(shí)效時(shí)間的不斷增加，Laves相趨于飽和，開始不斷地聚集和粗化，其數(shù)量開始減少而尺寸依然不斷增大；當(dāng)時(shí)效時(shí)間達(dá)到8 000 h以后，Laves相已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重粗化。

5.2 恒載荷蠕變間斷試驗(yàn)條件下

對(duì)650℃、90 MPa條件下，蠕變間斷時(shí)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(jìn)行二值化處理，結(jié)果見圖14～圖19。

圖14 200 h蠕變間斷試驗(yàn)后P92鋼試樣Laves相二值化處理圖

圖15 500 h蠕變間斷試驗(yàn)后P92鋼試樣Laves相二值化處理圖

圖16 1 000 h蠕變間斷試驗(yàn)后P92鋼試樣Laves相二值化處理圖

圖17 2 000 h蠕變間斷試驗(yàn)后P92鋼試樣Laves相二值化處理圖

圖18 3 000 h蠕變間斷試驗(yàn)后P92鋼試樣Laves相二值化處理圖

圖19 5 000 h蠕變間斷試驗(yàn)后P92鋼試樣Laves相二值化處理圖

為保證測(cè)量值的準(zhǔn)確度，在每個(gè)P92鋼試樣的Laves相二值化處理圖上選取15個(gè)區(qū)域，利用Image J軟件對(duì)選取區(qū)域中Laves相顆粒的數(shù)量、平均尺寸以及面積占比進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并取平均值，繪制成等溫時(shí)效條件下的Laves相演變規(guī)律曲線，見圖20～圖22。

圖21 蠕變間斷試驗(yàn)P92鋼Laves相顆粒平均尺寸與蠕變時(shí)間關(guān)系

圖22 蠕變間斷試驗(yàn)P92鋼Laves相顆粒平均面積占比與蠕變時(shí)間關(guān)系

圖20～圖22顯示出與圖11～圖13相似的變化趨勢(shì)，Laves相在蠕變時(shí)間達(dá)到200 h時(shí)已經(jīng)快速析出，其數(shù)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(gè)蠕變過程中一直保持上升趨勢(shì)。

5.3 演化規(guī)律對(duì)比

綜合分析時(shí)效試驗(yàn)（圖11～圖13）和蠕變間段試驗(yàn)（圖20～圖22）結(jié)果可知，Laves相在蠕變條件下開始析出時(shí)間有所提前，約200 h即可明顯觀察到其存在。相同試驗(yàn)時(shí)間下，蠕變?cè)嚇又蠰aves相的數(shù)量以及總面積占比等均高于時(shí)效試驗(yàn)試樣中的數(shù)值，由此可知應(yīng)力對(duì)于Laves相的析出具有一定的促進(jìn)作用。

6 結(jié)論

基于文中2種鋼材試驗(yàn)方法及試驗(yàn)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(guī)律，得到如下的結(jié)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(yàn)時(shí)間的延長不斷析出及粗化。

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

（3）在相同溫度與時(shí)間條件下，蠕變?cè)嚇又蠰aves相顆粒數(shù)量與面積占比均高于時(shí)效試樣的測(cè)量值，因此應(yīng)力在一定程度上能促進(jìn)Laves相的析出與粗化。