不同時效溫度TG700A高溫合金相析出行為

鐘雨伽

摘? 要：在熱電站中，鍋爐的工作溫度和壓力越高，其能源利用率越高，但同時也對制造鍋爐的材料提出了很高的要求。超超臨界鍋爐，其工作溫度和壓力遠超過水的臨界點，具有很高的能源利用率。而Inconel 740H合金作為超超臨界鍋爐工作溫度最高的部分，再熱器的首選材料，其高溫性能頗受關注。本文選取的是時效溫度為650℃和770℃，在650℃下時效了2000h和3680h，在770℃下時效了2800h和4500h。同時準備了一個未時效的試樣作為對比。未時效的試樣中幾乎沒有γ析出相，晶界處有少量析出，同時有鑄造缺陷的相。650℃下隨時效時間延長硬度增加，表明650℃下時效2000h沒有過時效，不過也有可能是誤差的原因（選擇的試驗力小）。但770℃下隨時效時間延長硬度增加，與其他文獻上的描述不相符，可能是誤差的原因。

關鍵詞：超超臨界鍋爐;Inconel 740H;時效;微觀組織

正常情況下，亞臨界鍋爐每度電的二氧化碳排放量超過880g，超臨界鍋爐的在800～880g之間，超超臨界鍋爐的則在740～800g之間。但是，越先進的鍋爐運行的數目就越少，畢竟建設先進的鍋爐，需要先進的技術和大量的資金。此外還設計出了運行溫度更高，熱效率更高，溫室氣體排放量更少的超超臨界鍋爐，但由于某些技術問題還未投入使用。

1 超超臨界鍋爐簡介

超超臨界鍋爐可分為三部分，燃燒系統、風煙系統、汽水系統。⁷燃燒系統負責處理燃料，燃燒煤粉，獲取熱能，產生廢氣和廢渣。風煙系統負責空氣流通，將水冷壁產生的低溫空氣經預熱設備進行預熱，使用熱空氣烘干煤粉，并提供助燃劑，產生的煙氣將熱能送給水和空氣，最后經處理后排放入大氣中。汽水系統，就是用水產生水蒸氣，推動汽輪機發電。水是逐步加熱的，經低壓加熱器加入，然后加壓再加熱，最后經過熱器、再熱器形成高溫高壓蒸汽。

由此可見，過熱器、再熱器作為最接近汽輪機的部分，其承受的壓力和溫度都是最高，所以其材料要求最苛刻。下一代超超臨界鍋爐的設計溫度已經超過700℃。但是溫度高不是材料設計唯一的難點。現代超臨界及超超臨界鍋爐有一個特點，變壓運行。由于用電需求會變化，鍋爐不會一直滿負荷運行;而隨著鍋爐負荷的變化，鍋爐變壓運行，對工質水產生影響的同時，也會對鍋爐用材產生影響。在鍋爐頻繁啟停及變負荷運行過程中，鍋爐的厚壁受壓部件會瞬時承受較大的溫度應力，需要對它們進行瞬時應力分析、蠕變-疲勞分析和壽命評估。⁸

2 700℃超超臨界鍋爐中的高溫材料

已經進行可行性研究和產品設計的先進的超超臨界鍋爐的蒸汽溫度可達700℃，但是高溫材料問題正是開發的瓶頸，同時阻礙了世界各國超超臨界計劃的發展。對于700℃超超臨界鍋爐的設計，不同的設計機構有不同的設計特點，在爐型、燃燒方式選擇、水冷壁形式、受熱面布置等方面存在一些差異，但無論采用何種設計形式，其關鍵部件的服役溫度差別很小，可以認為設計方案的不同不會對材料的性能要求產生大的變化。

先進700℃的超超臨界鍋爐設計上，其過熱器和再熱器的服役溫度可能超過700℃，而700～770℃這個溫度區間的選用材料是以前鍋爐所沒用運用過的材料，鎳基高溫合金將是這個溫度區間的主要候選材料。對于先進700℃超超臨界鍋爐將應用的材料與以往鍋爐所選用的材料的對比。

為保證電站穩定運行30～40年，通常700℃等級的超超臨界機組中高溫部件的材料選擇要參照兩個基本標準，一是材料100000小時的持久強度不低于100MPa，二是200000小時的氧化腐蝕層厚度要小于2mm，主要是要求材料的高溫力學性能和抗腐蝕能力。其次，材料還應該有良好的焊接技能和良好的加工成型性。

3 實驗材料及實驗方法

3.1實驗材料

實驗樣品為Inconel 740H試樣五個，一個為原始試樣（未時效），其余四個試樣進行了時效，分別在650℃下時效2000h、3680h，770℃下時效2800h、4500h。試樣在時效之前，從鑄造開始，經歷了均質化、徑鍛、擠壓、冷軋、熱處理等工序。

3.2實驗方法

（1）使用軟件JMatPro計算Inconel 740H的平衡相圖。首先測量樣品的成分。然后使用JMatPro軟件計算Inconel 740H合金的平衡相圖，并明確650℃和770℃下的平衡相。

（2）微觀組織觀察。使用光學顯微鏡和掃描電鏡，對三個試樣進行觀察。首先將樣品制備成金相樣品。腐蝕液選擇為HCl：HNO3：H2O=10：1：10的溶液。先將腐蝕液配好，然后水浴加熱至55℃左右，保溫20min，然后用棉球蘸取腐蝕液擦拭試樣至腐蝕完畢。使用SEM觀察組織時，通過EDS來測量不同相的成分，區分各種組織。

（3）XRD實驗。將固體試樣表面進行處理，保證合格的粗糙度。XRD實驗參數選擇，2θ角測量范圍為20～100°。

（4）力學性能測試。限于樣品大小，選擇顯微硬度測試。實驗加載力為1kg，加載時間為15s。

3.3 實驗結果及分析

（1）時效的試樣與平衡相圖之間的差別。這些差別主要來源于鑄造缺陷和雜質元素。鑄造缺陷的影響深遠，不僅是那些沒有溶入基體的顆粒組織，還有成分上的不均勻。兩個因素合起來產生了各種球狀相，在770℃下這些相形狀更不規則一些。其中的富含的Ti元素和N元素很容易結合，經時效有許多碳化物相在上面生成，這會使周圍Cr元素含量減少，抗腐蝕性能降低。

（2）650℃下時效的試樣與770℃下時效試樣的組織差異。770℃的試樣中各種析出相都較多，其中γ析出相質量分數大，且尺寸也較大。晶界處的析出相，770℃的形狀更不規則一些，650℃的較纖細。至于球狀的相，650℃的有一些呈分層結構，里面較暗，四周較亮，而770℃的則亮度均勻。

（3）晶界上的析出相，650℃下部分晶界析出相呈顆粒狀，比其他部分晶界寬一些;770℃下時效2800h，部分晶界比其他部分晶界稍寬，時效4500h后，部分晶界比其他部分寬許多，且呈不規則形狀。兩個溫度下都出現了部分晶界較寬的現象，不過兩者的形狀不同

（4）雖然可以從文獻上推測時效后Inconel 740H的硬度，但是顯微硬度測試不是很準確。推薦加大試樣，使用布氏硬度。不過還是能夠確定原始試樣硬度最低，650℃時效的試樣硬度最高，770℃時效的試樣硬度次之，但是相同時效溫度下的硬度很接近，無法分辨。Inconel 740H的顯微硬度和γ析出相的尺寸相關，平均直徑為50nm時其硬度最大。

（5）由于很多析出相量較少，而且γ析出相為納米尺寸，做XRD測試得到的信息比較少，推薦使用化學萃取或使用TEM衍射的方法確定各種相的組成。XRD僅可檢測出γ相和γ相。

參考文獻

[1]? 陶睿.1000MW超超臨界鍋爐的主要技術特點淺析[J].大科技，2016，（29）：45.

[2]? 黨瑩櫻，趙新寶，尹宏飛，魯金濤，袁勇，楊珍，谷月峰. Inconel 740H合金750℃長期時效后的組織穩定性[J]. 材料工程，2016，（09）：58-62.

[3]? 魯金濤，楊珍，徐松乾，趙海平，趙新寶，谷月峰. Inconel 740H合金在純水蒸氣環境中的高溫氧化行為[J]. 機械工程材料，2015，（10）：37-41.