2.25Cr－1.6W(T23)鐵素體耐熱鋼服役過程中的組織演變研究

聶 銘，于在松，周榮燦

(1.廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510600;2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710032)

日本住友金屬和三菱重工聯(lián)合開發(fā)的2.25Cr－1.6W鐵素體耐熱鋼(ASME案例號CASE2199、日本牌號HCM2S)是在 T22(2.25Cr－1Mo)鋼的基礎(chǔ)上，吸收了鋼102的優(yōu)點改進(jìn)的:在T22基礎(chǔ)成分中以W取代部分Mo，形成以W為主的W－Mo的復(fù)合固溶強(qiáng)化，加入微量Nb和N形成碳氮化物彌散沉淀強(qiáng)化，降低了含C量，提高其加工性能和焊接性能，同時加入微量B提高淬透性以獲得完全的回火貝氏體組織［1］，目前已獲得ASME批準(zhǔn)，鋼號為SA213－T23，其化學(xué)成分見表1。

T23鋼管由于其綜合性能良好，目前已廣泛應(yīng)用于大型亞臨界電站鍋爐的過熱器和再熱器，或用于超(超)臨界鍋爐的水冷壁、過熱器和再熱器。文中通過研究T23鋼在高溫服役過程中的微觀組織演化規(guī)律及其對性能的影響，將為充分了解材料的運(yùn)行狀態(tài)、減緩服役過程T23鋼的性能退化提供理論指導(dǎo)。

表1 T23鋼的化學(xué)成分 /%

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗材料為正火態(tài)、供貨態(tài)(正火+回火)、運(yùn)行約4萬h的管樣，試樣狀態(tài)如表2所示。

1.2 試驗方法

表2 不同狀態(tài)2.25Cr－1.6W鋼試樣

采用光學(xué)顯微鏡(OM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)和X射線能譜儀(EDS)等方法對2.25Cr－1.6W 鋼中貝氏體形態(tài)，碳化物的類型、尺寸和成分等演化規(guī)律進(jìn)行研究。微觀組織結(jié)構(gòu)采用Quanta100HV型掃描電子顯微鏡和JEM－3010型透射電子顯微鏡進(jìn)行分析，透射減薄電解液為10%高氯酸和90%無水乙醇溶液，用MTP－1A型雙噴電解拋光儀減薄。

采用KYKY SBC－2型碳復(fù)型儀萃取2.25Cr－1.6W鋼中的沉淀相，并通過SEM和TEM觀察鋼材在長期高溫運(yùn)行后沉淀相的數(shù)量、尺寸、形態(tài)以及分布的變化規(guī)律，分析沉淀相狀態(tài)變化對鋼材性能的影響機(jī)理。

2 結(jié)果與分析

2.1 金相組織分析

圖1～4分別示出了1#～4#管樣的金相組織。

從圖1中可以看出，正火后T23鋼組織為粒狀貝氏體結(jié)構(gòu)，其間夾雜少量鐵素體，供貨狀態(tài)的T23鋼組織(見圖2)為回火粒狀貝氏體，分為板條型粒狀貝氏體和塊型粒狀貝氏體兩種。

圖1 1#管樣金相組織

對比運(yùn)行前后的金相組織，發(fā)現(xiàn)經(jīng)高溫長期運(yùn)行后，板條型粒狀貝氏體合并減少，M/A小島逐漸消失，代之以大量的碳化物呈鏈狀分布在晶界上，晶粒長大，4#管樣組織老化最為嚴(yán)重，這可能與4#管樣的運(yùn)行溫度最高有關(guān)。

2.2 碳化物類型的演變分析

如圖5所示，M23C6型碳化物以(Cr，F(xiàn)e)23C6形式存在，并固溶有少量的W和V，分布于BF板條界和晶界上，呈短條狀或橢球狀，尺寸在0.5～1 μm之間。圖6中15#測點為M23C6型碳化物，16#測點為M6C型碳化物(見表3)，從電子衍射斑點觀察到M23C6型碳化物與M6C型碳化物保持一定的位相關(guān)系，M23C6轉(zhuǎn)移并最終轉(zhuǎn)化為M6C特征明顯。

圖2 2#管樣金相組織

圖3 3#管樣金相組織

圖4 4#管樣金相組織

圖5 2#管樣TEM照片及碳化物衍射標(biāo)定

圖6 3#管樣TEM照片及碳化物衍射標(biāo)定

表3 3#管樣圖6所示沉淀相EDS結(jié)果

對比圖5，6可看出，與未經(jīng)服役的2#試樣相比，T23鋼經(jīng)高溫服役老化后，碳化物大量在晶界析出，部分碳化物連成鏈狀分布，W元素大量向M23C6轉(zhuǎn)移并最終轉(zhuǎn)化為M6C。晶內(nèi)貝氏體鐵素體板條界上的碳化物大部分都已溶解消失，M6C在晶界的聚集長大及鏈狀分布大大降低了材料的強(qiáng)度和抗蠕變能力［2］。

2.3 碳化物尺寸的演變分析

對比圖7，8可看出，供貨態(tài) T23中 M23C6型碳化物細(xì)小且呈彌散分布，即分布于晶界處和板條型粒狀貝氏體板條界上。服役運(yùn)行后的T23鋼晶內(nèi)板條型粒狀貝氏體板條界上細(xì)小的碳化物消失，代之晶界上碳化物聚集長大，并呈鏈狀分布。

圖7 2#管樣SEM照片

圖8 4#管樣SEM照片

表4結(jié)果顯示，2#管樣中碳化物主要是M23C6型碳化物(MX除外)，與運(yùn)行老化后的管樣相比，碳化物顆粒平均半徑和平均面積都最小，碳化物顆粒間距離也最短，沉淀強(qiáng)化效果顯著，是T23鋼強(qiáng)化機(jī)理的重要組成部分。而運(yùn)行老化后T23鋼中碳化物顆粒平均面積和平均直徑都有所增加，顆粒間距增大，沉淀強(qiáng)化效果下降。

2.4 碳化物的Ostwald熟化

圖9，10分別示出供貨態(tài)T23鋼的2#管樣和運(yùn)行4萬h的3#管樣的沉淀相碳復(fù)型萃取試驗結(jié)果。

表4 碳化物尺寸定量分析結(jié)果

圖9 2#管樣碳復(fù)型萃取結(jié)果

對比圖9(a)，10(a)可看出，運(yùn)行老化后T23鋼的M23C6發(fā)生顯著Ostwald熟化，小顆粒的M23C6逐漸消失，大顆粒M23C6在晶界聚集長大，并最終轉(zhuǎn)變?yōu)镸6C型碳化物。大顆粒的M6C型碳化物在晶界的聚集將會易于蠕變孔洞以及裂紋的萌生，造成材料持久強(qiáng)度的下降。圖9(b)，10(b)顯示MX相也發(fā)生了類似M23C6的Ostwald熟化。

圖10 3#管樣碳復(fù)型萃取結(jié)果

3 結(jié)論

(1)T23鋼在高溫高壓環(huán)境下服役運(yùn)行后，發(fā)生以下顯微組織演變:粒狀貝氏體鐵素體基體發(fā)生回復(fù)，板條型粒狀貝氏體板條界逐漸消失，晶粒長大;M23C6型碳化物發(fā)生Ostwald熟化，晶內(nèi)小顆粒M23C6型碳化物逐漸消失，大顆粒M23C6型碳化物在晶界聚集、長大;隨著運(yùn)行溫度的升高和服役時間的延長，W逐漸向M23C6型碳化物轉(zhuǎn)移，并最終轉(zhuǎn)變?yōu)镸6C型碳化物;MX也發(fā)生Ostwald熟化。

(2)大顆粒碳化物沿晶界聚集長大并呈鏈狀分布，尤其是富W的M6C相的大量出現(xiàn)是性能發(fā)生退化的主要原因。

［1］ 韓肇俊.ASME批準(zhǔn)認(rèn)可的第三代新型鐵素體耐熱鋼的性能及應(yīng)用［J］.中國鍋爐壓力容器安全，2004，21(1):66 －70.

［2］ 鄧永清，朱麗慧，王起江，等.T23鋼高溫持久微觀組織演變研究［J］.鍋爐技術(shù)，2006，(2):17－20.