630℃汽輪機(jī)用鑄鋼材料CW2熱處理工藝研究

師帥 孫林根 梅林波 沈紅衛(wèi)

(上海電氣電站設(shè)備有限公司上海汽輪機(jī)廠，上海 201100)

在國(guó)家“雙碳”目標(biāo)的推動(dòng)下，傳統(tǒng)煤電機(jī)組趨向節(jié)能提效升級(jí)和清潔化利用，發(fā)展低能耗、大容量的高效環(huán)保機(jī)組，加速現(xiàn)役機(jī)組的節(jié)能升級(jí)和靈活性改造，對(duì)保障新型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行和能源順利轉(zhuǎn)型至關(guān)重要[1-2]。提高火電機(jī)組的蒸汽參數(shù)，能夠有效提高機(jī)組的發(fā)電效率，降低單位能耗的二氧化碳排放。其中，高溫材料及其部件制備是發(fā)展清潔高效、靈活高參數(shù)火電機(jī)組的關(guān)鍵技術(shù)壁壘。9%～12%Cr馬氏體耐熱鋼因其良好的熱物理性和工藝性能，以及合理的制造成本，廣泛應(yīng)用于600℃等級(jí)汽輪機(jī)組中。

目前廣泛應(yīng)用的火電汽輪機(jī)組材料使用溫度最高達(dá)到620℃。針對(duì)更高參數(shù)等級(jí)的630℃汽輪機(jī)，公司通過(guò)合金優(yōu)化設(shè)計(jì)、產(chǎn)品模擬試制和應(yīng)用性能評(píng)估等工作，自主開(kāi)發(fā)了可用于制造630℃汽輪機(jī)汽缸、閥門(mén)的9%～12%Cr鑄造馬氏體耐熱鋼材料CW2。該鋼中加入適量的Co元素，配合Mo、W元素的復(fù)合作用，可達(dá)到最佳的固溶強(qiáng)化效果，從而保障鑄鋼材料具有較好的塑韌性和高溫強(qiáng)度。調(diào)整B和N元素含量的配比，實(shí)現(xiàn)材料優(yōu)異的抗高溫長(zhǎng)時(shí)蠕變性能。該類(lèi)合金的熱處理工藝通常為正火+高溫回火，正回火溫度對(duì)晶粒尺寸、δ-鐵素體、第二相粒子析出和鋼的熱強(qiáng)性等有較大影響，通過(guò)熱處理工藝的精準(zhǔn)控制能夠獲得良好的材料強(qiáng)度與塑韌性匹配[3-7]。為了充分發(fā)揮材料的高溫強(qiáng)度潛力，摸索更合理的材料熱處理工藝參數(shù)，本文對(duì)CW2鑄鋼的熱處理工藝進(jìn)行了試驗(yàn)研究，尤其關(guān)注了熱處理溫度對(duì)組織和性能的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)方法

1.1 熱力學(xué)計(jì)算分析

CW2合金主要成分為0.12C-9Cr-3Co-3W- MoVNbNB，利用熱力學(xué)Thermo-Calc軟件(簡(jiǎn)稱“TC軟件”)的TCFE8數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算材料平衡相圖，結(jié)果如圖1所示。另外，按照YB/T 5128—2018《鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線圖的測(cè)定方法(膨脹法)》測(cè)試了CW2合金的CCT曲線，記錄合金的特征相變點(diǎn)，與TC軟件計(jì)算結(jié)果合并在表1中。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，正火溫度參數(shù)選擇低于材料初熔點(diǎn)200～300℃，回火溫度參數(shù)選擇低于Ac1溫度。試驗(yàn)分析的正火溫度區(qū)間選擇在1110～1200℃范圍內(nèi)，回火溫度區(qū)間在730～790℃范圍內(nèi)。

(a)CW2合金的平衡相圖 (b)局部放大

表1 CW2合金相變溫度

1.2 材料及試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)材料采用真空感應(yīng)爐冶煉，為防止元素?zé)龘p，在氬氣保護(hù)氛圍下澆鑄梯形試塊，試塊最大壁厚300 mm。熱處理試料取自梯形試塊厚壁位置，試料狀態(tài)為退火態(tài)。材料經(jīng)過(guò)熱處理后進(jìn)行室溫拉伸、沖擊試驗(yàn)，并檢查金相組織和晶粒尺寸。熱處理完成后，試料再進(jìn)行630℃下5000 h、10 000 h的時(shí)效試驗(yàn)，分析時(shí)效前后力學(xué)性能和組織變化情況。

拉伸試驗(yàn)根據(jù)GB/T 228.1—2021《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》執(zhí)行，每組工藝參數(shù)測(cè)試2個(gè)拉伸試樣。沖擊試驗(yàn)根據(jù)GB/T 229—2020《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》，加工成V型缺口進(jìn)行測(cè)試，每組測(cè)3個(gè)沖擊試樣，取平均值。試樣拋光后，用配比為5 g FeCl3+25 ml HCl+25 ml乙醇的混合溶液進(jìn)行腐蝕，在金相顯微鏡和掃描電鏡下觀察微觀組織。

正火溫度選擇1110℃、1130℃、1150℃、1175℃和1200℃五檔，保溫同樣的時(shí)間，冷卻方式為空冷。回火溫度選擇730℃、750℃、770℃、790℃四檔，保溫同樣時(shí)間，冷卻方式為爐冷。進(jìn)行不同正、回火溫度的試驗(yàn)，具體試驗(yàn)方案見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)方案的工藝參數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 不同正火溫度下合金的力學(xué)性能與組織

圖2顯示了不同正火溫度下(回火溫度相同，750℃)材料的抗拉強(qiáng)度Rm、屈服強(qiáng)度Rp0.2，斷后伸長(zhǎng)率A、斷面收縮率Z，以及沖擊吸收能量KV2情況。對(duì)照CW2性能指標(biāo)：屈服強(qiáng)度Rp0.2≥520 MPa，抗拉強(qiáng)度Rm≥680 MPa，斷后伸長(zhǎng)率A≥15%，斷面收縮率Z≥40%，沖擊吸收能量平均值KV2≥30 J，單個(gè)沖擊吸收能量值KV2≥21 J進(jìn)行分析。回火溫度750℃時(shí)，強(qiáng)度和塑性隨正火溫度參數(shù)變化差異不大，正火溫度1110℃和1150℃下的斷后伸長(zhǎng)率A不達(dá)標(biāo)；沖擊吸收能量隨正火溫度呈下降趨勢(shì)，正火溫度超過(guò)1150℃后，沖擊吸收能量不能達(dá)到指標(biāo)要求。

圖3為試驗(yàn)1-5，五種不同正火工藝(回火溫度相同，750℃)對(duì)馬氏體組織的影響情況。當(dāng)正火溫度超過(guò)1150℃，馬氏體板條組織中出現(xiàn)明顯的δ-鐵素體(圖3白色線圈內(nèi))，尤其在正火溫度達(dá)到1200℃，馬氏體組織中析出十分粗大的δ-鐵素體，且含量超過(guò)15%，如圖3(e)所示。

圖4為不同正火工藝對(duì)原奧氏體晶粒尺寸的影響情況。文獻(xiàn)[8-11]報(bào)道，對(duì)于9%～12%Cr鐵素體/馬氏體耐熱鋼，δ-鐵素體常分布于原奧氏體晶界處，其邊界附近易產(chǎn)生粗大碳化物，將嚴(yán)重?fù)p害晶界強(qiáng)化作用，易成為裂紋源。且隨著δ-鐵素體的含量增加，其韌性和持久強(qiáng)度將大幅度惡化。故9%～12%Cr鑄鋼件供貨態(tài)的組織中應(yīng)盡可能避免δ-鐵素體產(chǎn)生。較高的正火溫度對(duì)原奧氏體晶粒尺寸生長(zhǎng)有明顯促進(jìn)作用，正火溫度1110℃時(shí)，原奧氏體晶粒尺寸在150 μm左右。正火溫度1200℃時(shí)，原奧氏體晶粒尺寸400 μm左右。

(a)強(qiáng)度 (b)塑性 (c)沖擊吸收能量

(a)1110℃ (b)1130℃ (c)1150℃ (d)1175℃ (e)1200℃

(a)1110℃ (b)1130℃ (c)1150℃ (d)1175℃ (e)1200℃

(a)強(qiáng)度 (b)塑性 (c)沖擊吸收能量

2.2 不同回火溫度下合金的力學(xué)性能與組織

圖5和圖6分別顯示了正火溫度為1130℃和1200℃時(shí)，不同回火溫度對(duì)強(qiáng)度、塑韌性的影響。結(jié)果表明，強(qiáng)度隨回火溫度升高呈降低趨勢(shì)，而沖擊吸收能量呈明顯升高趨勢(shì)，回火溫度為750℃時(shí)合金的強(qiáng)度和韌性匹配良好，而正火溫度為1200℃時(shí)，沖擊吸收能量均值不足30 J。因此，正火溫度為1130℃，回火溫度為750℃，才能保證強(qiáng)度和塑韌性的良好適配，材料性能數(shù)據(jù)都能滿足指標(biāo)的要求。

2.3 時(shí)效后合金的力學(xué)性能與組織

圖7為試驗(yàn)2熱處理后的樣品經(jīng)過(guò)時(shí)效后的強(qiáng)度變化，可看到經(jīng)過(guò)630℃高溫時(shí)效5000 h、10 000 h后試樣仍能保持穩(wěn)定的強(qiáng)度。用掃描電鏡的兩種成像模式(二次電子SE和背散射BSE)觀察了試驗(yàn)2及其長(zhǎng)時(shí)時(shí)效5000 h、10 000 h后的顯微組織，如圖8～10所示。SE模式下可看到時(shí)效前后均保持著較高位錯(cuò)密度的馬氏體板條束，原奧氏體晶界和馬氏體板條界處分布著細(xì)小的M23C6碳化物，M23C6固定在板條邊界，限制板條位錯(cuò)，從而能夠保障著組織和性能的穩(wěn)定性。BSE模式下合金中原子序數(shù)較高元素(W元素)會(huì)釋放較強(qiáng)的BSE信號(hào)，相對(duì)不含W的M23C6碳化物，Laves相呈現(xiàn)了較亮的襯度。高溫長(zhǎng)時(shí)時(shí)效5000 h后，可見(jiàn)富W的Laves相在晶界和板條界處均勻析出。相較5000 h的時(shí)效，時(shí)效10 000 h后的Laves相其尺寸和分布密度仍處在較為穩(wěn)定的水平。

(a)強(qiáng)度 (b)塑性 (c)沖擊吸收能量

圖7 1130℃正火、750℃回火工藝時(shí)效5000 h和10 000 h 后的強(qiáng)度變化

(a)SE模式 (b)BSE模式

(a)SE模式 (b)BSE模式

(a)SE模式 (b)BSE模式

4 結(jié)論

(1)CW2合金的最佳熱處理工藝參數(shù)為：正火1130℃、回火750℃，能夠保證CW2鑄鋼達(dá)到需要匹配指標(biāo)的強(qiáng)度和塑韌性，晶粒尺寸較為合理，且組織中未發(fā)現(xiàn)δ-鐵素體；

(2)在正火1110～1200℃范圍內(nèi)，隨著正火溫度的提升，CW2鑄鋼的晶粒尺寸逐漸增大，正火超過(guò)1150℃后組織中δ-鐵素體含量增多；

(3)材料經(jīng)正火1130℃+回火750℃熱處理，在630℃經(jīng)過(guò)5000 h和10 000 h高溫時(shí)效后，晶界和馬氏體板條界上析出少量尺寸穩(wěn)定的Laves相，材料強(qiáng)度和組織仍保持良好的穩(wěn)定性。