10Cr9W2MnVTaN鐵素體鋼板材熱處理工藝的研究

摘 要：低活性、高純凈度鐵素體10Cr9W2MnVTaN鋼由于其低的熱膨脹系數、高的熱導率、優良的抗腫脹和抗輻照脆性能力而成為ITER官方TBM的首選結構材料，該材料在國內研究還不夠成熟。對于TBM要求的高塑性及高強度性能要求，經過五種熱處理工藝下的力學性能的研究，固溶1040±10℃，水冷，回火740±10℃空冷的熱處理工藝的板材力學性能配合較好，能滿足力學性能的要求。

關鍵詞：10Cr9W2MnVTaN鐵素體鋼；固溶；回火

1 前言

10Cr9W2MnVTaN鐵素體鋼是一種低活性、高純凈度鐵素體/馬氏體鋼，主要化學成分與ASME SA-182F92接近，F92是由日本制鋼公司首先開發研制并被ASME認可并批準的新型鐵素體耐熱鋼，它在F91基礎上添加了一定量的鎢及硼，通過W-Mo復合固溶強化及B的晶界強化作用，不僅提高高溫蠕變極限，而且有較高的導熱系數、較低的熱膨脹系數，增強部件熱疲勞性能[3]。而10Cr9W2MnVTaN鐵素體鋼材料比F92材料少Mo、B，多Ta元素，但力學性能屈服、抗拉強度、延伸率要求比ASME SA-182F92高得多，推薦的熱處理工藝參數差異較大。首次接觸10Cr9W2MnVTaN鐵素體鋼材料，對材料的熱處理參數和力學性能掌握不足，本文主要采用幾種不同的熱處理工藝研究其力學性能。

2 試驗方法

試驗用料采用真空感應熔煉加電渣重熔，錠型為5噸鋼錠，鋼錠先鍛造出坯，然后再軋制，最后軋制成43mm厚的板材，成型后進行退火處理，去除料頭和飛邊。板材的化學成分要求及檢測值見表1，力學性能要求及試驗數據見表2：

板材退火后粗加工時，從邊緣切割五塊規格為240×240×43的板材進行熱處理試驗，熱處理工藝采用五種進行。

根據材料規范要求，10Cr9W2MnVTaN材料鋼板材鍛造后需要進行固溶和回火性能熱處理，性能熱處理要求為：固溶處理980±10℃，25mm/30min（保溫至少45min），然后空冷，隨后在740±10℃回火理，25mm/30min（保溫至少90min），然后空冷。

第一組板材按照規范要求的熱處理工藝進行，參數是：固溶：980±10℃ 1h 空冷，回火：740±10℃2.5h空冷，熱處理后在離表面20mm的位置取樣加工試樣檢測力學性能，力學性能值見表2序號1。

第二組板材熱處理工藝參數：固溶：980±10℃ 1h 水冷，回火：740±10℃2.5h空冷，熱處理后在離表面20mm的位置取樣加工試樣檢測力學性能，力學性能值見表2序號2。

第三組板材熱處理工藝參數：固溶：1040±10℃ 1h 水冷，回火溫度采用三組溫度：1）720±10℃2.5h空冷；2）730±10℃2.5h空冷；3）740±10℃2.5h空冷，熱處理后在離表面20mm的位置取樣加工試樣檢測力學性能，力學性能值見表2序號3～5。

3 試驗結果與分析

根據以上試驗結果，980℃固溶條件下獲得的力學性能強度比較低，不能滿足表2要求的力學性能。1040℃固溶條件下的力學性能只有740±10℃空冷的回火熱處理工藝下滿足要求，回火溫度低于740℃的力學性能中強度滿足要求，延伸率偏低不滿足要求。根據類似材料ASME SA-182F92中推薦的最低固溶溫度為1040℃[4]，則 10Cr9W2MnVTaN材料達到完全奧氏體化最低溫度也在1040℃。由于980℃固溶溫度相對較低，10Cr9W2MnVTaN鋼合金元素含量較高，含有Cr、Mn、W等元素，合金元素未能充分溶入奧氏體中。提高固溶溫度到1040℃，合金元素充分溶入奧氏體中，然后經過水冷，水冷條件下組織轉變比較均勻，回火后更能充分發揮材料的力學性能。因此針對該材料要滿足規范的高強度和高塑性要求，固溶溫度選擇1040℃比較適宜，回火溫度選擇低于740℃對塑性不利，回火溫度選擇740℃對塑性和韌性較好。因此該材料要達到TBM要求的高強度和高塑性的力學性能，推薦的固溶溫度1040℃，回火溫度740℃。

4 結論

10Cr9W2MnVTaN鐵素體鋼的力學性能取決于其合金成分、熔煉工藝及加工工藝，另外熱處理工藝可以改變合金的微觀組織，進而影響合金的力學性能[1] [2]。對10Cr9W2MnVTaN鐵素體鋼板材進行幾種熱處理工藝下的力學性能研究分析，滿足規范要求的高強度和塑性的力學性能，推薦的熱處理工藝參數是固溶：1040±10℃水冷，回火：740±10℃空冷。

參考文獻：

[1]王平懷 湛繼明 付海英 劉實 李雄偉 許增裕 聚變堆結構材料低活性鐵素體-馬氏體鋼CLF-1研究進展 核聚變與等離子體分卷.

[2]王平懷 湛繼明 付海英 劉實 李雄偉 許增裕 時效處理對低活性鐵素體-馬氏體鋼組織及性能的影響 核聚變與等離子體分卷.

[3]孟憲忠 王平原1000MW火電機組主汽閘閥國產化用F92材料性能評定.

[4]高溫用鍛制或軋制合金鋼和不銹鋼公稱管道法蘭、鍛制管配件、閥門和零件（ASME SA182/SA182M）.

作者簡介：

冷廷梅（1977.08），女，民族：苗，籍貫（精確到市）：貴州省思南縣，當前職務：熱處理主管工藝師，當前職稱：工程師，學歷：大學本科，研究方向：金屬材料及熱處理。