2.25Cr-1Mo鋼和FV520B鋼的氫脆敏感性對(duì)比試驗(yàn)研究

唐才宇 楊思澤 崔蓮順

（沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司）

0 引言

離心壓縮機(jī)主要應(yīng)用于石油、化工等領(lǐng)域，工況條件非常惡劣，其中有部分產(chǎn)品是在含氫介質(zhì)中長(zhǎng)期運(yùn)行，包括循環(huán)氫壓縮機(jī)和合成氣壓縮機(jī)。以離心式循環(huán)氫壓縮機(jī)為例，它是加氫精制裝置的關(guān)鍵機(jī)組，其能否正常運(yùn)行直接關(guān)系到整個(gè)裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)[1]。由此可見，離心壓縮機(jī)的選材極其重要[2]。對(duì)于離心壓縮機(jī)產(chǎn)品的核心部件葉輪來說，雖然它的損壞可能是因?yàn)闅鈩?dòng)載荷或共振引起的疲勞失效[3-6]，但是材料選用不當(dāng)通常是葉輪失效的最常見因素，因此葉輪的合理選材非常關(guān)鍵[7]?？紤]到含氫介質(zhì)條件下高速旋轉(zhuǎn)的葉輪容易發(fā)生氫脆而突然失效，因此選擇一種抗氫性能良好的材料來制造含氫介質(zhì)條件下工作的葉輪就顯得尤為重要。

馬氏體沉淀硬化不銹鋼因其良好的綜合力學(xué)性能和耐腐蝕性能常被應(yīng)用于航空、航天和工業(yè)領(lǐng)域[8-9]，它是含氫介質(zhì)條件下常用的離心壓縮機(jī)葉輪材料。由于FV520B 鋼含有貴重金屬元素Cr、Ni、Mo、Nb，并且Cr、Ni、Mo 含量較高，因此FV520B 鋼材售價(jià)較合金結(jié)構(gòu)鋼偏高。這就需要選擇一種成本低于FV520B 鋼同時(shí)又與其抗氫脆能力相當(dāng)?shù)暮辖痄摬牧稀?/p>

文獻(xiàn)[10]表明2.25Cr-1Mo 鋼可以應(yīng)用于氫介質(zhì)環(huán)境，同時(shí)該材料成本較低，鍛件價(jià)格明顯低于FV520B鋼。由此可見，若將2.25Cr-1Mo 合金結(jié)構(gòu)鋼材料應(yīng)用于含氫介質(zhì)透平壓縮機(jī)中將具有十分明顯的成本優(yōu)勢(shì)。美國(guó)石油學(xué)會(huì)在氫環(huán)境下對(duì)所用透平式壓縮機(jī)材料強(qiáng)度的規(guī)定是不要高于827MPa[11]，因而本文通過采用合適的熱處理工藝將2.25Cr-1Mo 合金結(jié)構(gòu)鋼和FV520B馬氏體沉淀硬化型不銹鋼這兩種材料的強(qiáng)度控制在符合要求的范圍內(nèi)，而后詳細(xì)比較2.25Cr-1Mo 合金結(jié)構(gòu)鋼和FV520B 馬氏體沉淀硬化不銹鋼的氫脆敏感性，研究成果可以為氫環(huán)境下葉輪的合理選材提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

本文所用的2.25Cr-1Mo 合金結(jié)構(gòu)鋼和FV520B 馬氏體沉淀硬化不銹鋼的試驗(yàn)用料均取自沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司的葉輪鍛件，材料成分如表1所示。

表1 試驗(yàn)用料化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of the test material

2.25 Cr-1Mo 鋼和FV520B 鋼的熱處理方式及相應(yīng)強(qiáng)度見表2。

表2 材料的熱處理方式及屈服強(qiáng)度Tab.2 Heat treatment and yield strength of the material

在考察材料的氫脆敏感性之前，需要對(duì)試樣進(jìn)行充氫處理，本試驗(yàn)利用的是電化學(xué)方法對(duì)所研究的兩種鋼材進(jìn)行充氫。電化學(xué)充氫時(shí)，電解液的組分、充氫電流密度、充氫時(shí)電解液的溫度以及試樣自身的材質(zhì)和性能等對(duì)充氫的效果都有影響。本文實(shí)驗(yàn)利用Φ4×50的棒狀試樣，通過多次預(yù)充氫摸索后最終確定出合適的工藝參數(shù)。為了避免在充氫過程中產(chǎn)生不可逆的氫損傷，充氫時(shí)電流密度不能太大[12]。本實(shí)驗(yàn)中的充氫溶液為5%H2SO4+As2O3(每1L 稀H2SO4溶液加入200mgAs2O3)，充氫溫度20℃，兩種試樣充氫前后的含氫量列于表3。表中氫含量的測(cè)定是采用RH-404氫測(cè)定儀來分析，該分析儀采用熱導(dǎo)探測(cè)器檢測(cè)氫氣含量，整個(gè)分析過程由內(nèi)置計(jì)算機(jī)控制，最終檢測(cè)結(jié)果以ppm（mg/kg）的形式呈現(xiàn)。

表3 電解充氫參數(shù)和含氫量Tab.3 Relationship between electrolytic hydrogen charging parameters and hydrogen content

慢拉伸試驗(yàn)是評(píng)價(jià)材料抗氫脆性能的常用方法，本文的慢拉伸試驗(yàn)是在日本產(chǎn)的東伸慢拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。在統(tǒng)一的形變速率下（1×10-5/s）拉伸每個(gè)試樣直至斷裂來測(cè)量充氫前后試樣的斷面收縮率（ψ），并讀出缺口拉伸強(qiáng)度值，然后比較未充氫試樣和充氫試樣的數(shù)據(jù)結(jié)果以分析材料的氫脆敏感性。慢應(yīng)變拉伸的試樣要加工成標(biāo)距為25mm，平行部分直徑6.5mm的缺口拉伸試樣，缺口為V型，深度1mm。慢拉伸試樣如圖1所示。

圖1 慢拉伸試驗(yàn)試樣加工圖Fig.1 Specimen processing diagram of slow-strain tensile rate test

試驗(yàn)時(shí)的拉伸速率始終保持較低水平，拉伸環(huán)境溫度為90℃，該溫度與透平式含氫介質(zhì)壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)的實(shí)際溫度類似，同時(shí)用10MPa 氮?dú)獗阂员闶箽湓釉谕饨鐗毫Φ淖饔孟虏灰滓莩鲈嚇?，從而保證試樣內(nèi)部有著較為穩(wěn)定的氫含量。電化學(xué)充氫后的試樣要馬上用來進(jìn)行慢拉伸試驗(yàn)，這樣做的目的是使拉伸試樣內(nèi)部的氫來不及逸出，使其含量能夠處于較高水平，從而保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可信度。拉伸后的試樣斷口利用ZEISS EVO-18掃描電鏡進(jìn)行分析。

2 討論與結(jié)果

在材料熱處理階段，2.25Cr-1Mo 鋼熱處理工藝采用正火+臨界區(qū)淬火+回火處理的方式，臨界區(qū)淬火即亞溫淬火的目的是為了提高鋼的韌性，降低脆性轉(zhuǎn)變溫度，減少高溫回火脆性；FV520B鋼則是采用固溶+中間處理+時(shí)效處理的方式進(jìn)行，中間處理即調(diào)整處理的目的是為了提高鋼的Ms點(diǎn)，降低奧氏體含量并同時(shí)細(xì)化馬氏體晶粒，以便使其獲得更好的力學(xué)性能。

斷面收縮率ψ是度量氫致塑性損失的主要參數(shù)之一[13]，同時(shí)也是本文用來評(píng)價(jià)2.25Cr-1Mo 鋼和FV520B鋼氫脆敏感性的主要依據(jù)。斷面收縮率的定義為：

其中，A0是試樣原始截面面積；Af是拉斷后的最小截面面積。為了弄清被研究材料的抗氫能力,本文對(duì)試樣在充氫前后的斷面收縮率均做了測(cè)量分析，測(cè)試結(jié)果見表4。

從表4中可見，F(xiàn)V520B鋼未充氫試樣的斷面收縮率為27%，充氫后試樣的斷面收縮率則下降到16%；在同樣充氫條件下2.25Cr-1Mo鋼的斷面收縮率則從未充氫時(shí)的26%下降到充氫后的15%，可見兩種試樣的斷面收縮率數(shù)值受氫的影響均下降了11個(gè)百分點(diǎn)，2.25Cr-1Mo鋼在此方面所表現(xiàn)出來的塑性損失量與FV520B鋼相當(dāng)。

表4 FV520B鋼和2.25Cr-1Mo鋼在充氫與未充氫環(huán)境中慢速拉伸的斷面收縮率Tab.4 Section shrinkage between FV520B steel and 2.25Cr-1Mo steel under slow-strain tensile rate condition with or without hydrogen charging

缺口試樣在拉伸時(shí)，其缺口部分會(huì)表現(xiàn)出明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力集中會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)位置的塑性變形加劇，促進(jìn)位錯(cuò)增殖和發(fā)射，而位錯(cuò)是氫原子的陷阱[14]，所以在缺口附近氫原子的含量會(huì)高于其它位置，對(duì)于充氫試樣來說，由于整體氫含量較高，所以在缺口處富集的氫原子就比較多，富集的氫原子會(huì)加劇材料形成裂紋的速度[15-16]，使缺口試樣發(fā)生破壞的趨勢(shì)更為明顯，所以抗拉強(qiáng)度隨之下降，由此可知充氫試樣的缺口強(qiáng)度同樣是衡量試樣抗氫性能的一個(gè)指標(biāo)，對(duì)氫越敏感的材料，其缺口強(qiáng)度受氫的影響越大，即充氫后缺口強(qiáng)度的下降率應(yīng)該越高。

由表5可見，2.25Cr-1Mo鋼的未充氫試樣在日本東伸的慢應(yīng)變拉伸試驗(yàn)機(jī)上所得到的抗拉強(qiáng)度是1337MPa，而充氫后其抗拉強(qiáng)度則下降到1214MPa，抗拉強(qiáng)度衰減率為9.2%，同等充氫條件下，F(xiàn)V520B鋼在充氫后的強(qiáng)度衰減率為8.6%，充氫對(duì)兩種材料強(qiáng)度衰減的影響均非常有限，兩種材料的強(qiáng)度在充氫后的衰減率處于同一水平。

表5 FV520B鋼和2.25Cr-1Mo鋼在充氫與未充氫環(huán)境中慢速拉伸的缺口強(qiáng)度Tab.5 Notch strength between FV520B steel and 2.25Cr-1Mo steel under slow-strain tensile rate condition with or without hydrogen charging

圖2a和2b可見，25Cr-1Mo鋼在充氫與未充氫的環(huán)境中慢速拉伸試樣的斷口都呈現(xiàn)韌窩狀塑性斷口。未充氫環(huán)境中慢速拉伸試樣斷口的韌窩較深，而充氫環(huán)境中慢速拉伸試樣斷口的韌窩較淺，這與FV520B鋼在充氫與未充氫環(huán)境中慢速拉伸試樣斷口特征及其變化是一致的。這表明兩種材料在含氫環(huán)境中均會(huì)出現(xiàn)塑性受損的現(xiàn)象。兩種材料在充氫環(huán)境中受影響的程度是一致的。

圖2 SEM微觀斷口形貌Fig.2 SEM microscopic fracture morphology

因?yàn)镕V520B 鋼的合金元素含量較高，會(huì)推高原材料成本，此外FV520B鋼所要求的C含量很低，導(dǎo)致冶煉困難、成本升高，因而該沉淀硬化不銹鋼毛坯件的價(jià)格始終處于較高的區(qū)間，遠(yuǎn)高于合金結(jié)構(gòu)鋼。實(shí)驗(yàn)討論結(jié)果表明2.25Cr-1Mo 鋼的抗氫能力與FV520B 鋼的抗氫能力相當(dāng)，可以作為葉輪材料應(yīng)用于氫介質(zhì)環(huán)境的離心壓縮機(jī)產(chǎn)品中。

3 結(jié)論

1）充氫后的2.25Cr-1Mo 鋼和FV520B 鋼的斷面收縮率、缺口拉伸強(qiáng)度衰減程度同充氫前處于同一水平。

2）2.25Cr-1Mo 鋼和FV520B 鋼充氫前后的斷口形貌均表現(xiàn)出了較為明顯的塑性斷裂特征，其中充氫前試樣的塑性特征要更明顯一些，充氫后試樣的韌窩數(shù)量、韌窩深度和尺寸雖然受到影響，但是仍然以塑性斷口為主。兩種材料斷口形貌的變化趨勢(shì)基本一致，表現(xiàn)了相似的斷裂失效形式。

3）2.25Cr-1Mo 鋼的氫致塑性損失程度與FV520B處同一水平，可以在氫環(huán)境中替代FV520B鋼使用。