二次回火溫度對GX23CrMoV12-1耐熱鋼組織與力學性能的影響

李 林,馬 越,鮮 廣,范洪遠,孫 蘭,肖章玉,楊曉兵

(1.四川大學 機械工程學院,四川 成都 610065; 2.二重(德陽)重型裝備有限公司,四川 德陽 618013)

燃氣輪機是21世紀動力設備的核心,被譽為“工業皇冠上的明珠”。燃氣輪機廣泛應用在發電、航空和船舶等重要領域。耐熱鋼是制備燃氣輪機發電機組鑄件的重要基礎材料。近些年,隨著燃氣輪機工作溫度的不斷提高,整機制造對耐熱鋼鑄件的性能提出了更高要求。為滿足燃氣輪機發展的需求,開發新型高性能耐熱鋼[1-3]、優化鑄件的鑄造工藝和熱處理工藝[4-6]及對燃氣輪機零件進行表面強化處理[7]成為燃氣輪機制造領域的重要發展方向。

馬氏體耐熱鋼具有高的蠕變強度、耐蝕性和熱強性,是制備燃氣輪機發電機組鑄件的主要材料之一[8]。傳統馬氏體耐熱鋼主要以Cr13和9Cr-Mo-V系列鋼為主,但這類鋼的最高使用溫度一般不超過560 ℃,只能滿足亞臨界機組用鋼的使用要求[9-10]。根據鋼中合金成分的特點,近幾十年馬氏體耐熱鋼已從第一代發展到了第四代,目前超臨界和超超臨界發電機組鑄件廣泛采用第三代馬氏體耐熱鋼[11-13]。

GX23CrMoV12-1鋼是我國在Cr12不銹鋼的基礎上研制而成,且已用于燃氣輪機核心鑄件的一種新型耐熱鋼,該鋼執行標準EN 10213:2007《承壓鑄鋼件技術條件》,與標準GB/T 16253—2019《承壓鋼鑄件》中的ZG23Cr12MoV鋼相當。目前,該耐熱鋼鑄件采用的熱處理工藝為1050 ℃×4 h油冷淬火+740 ℃×6 h爐冷回火,盡管該工藝下獲得的力學性能可滿足燃氣輪機鑄件的使用要求,但在塑性指標上并不富余[14-15]。而且有關該鋼的相關熱處理工藝與組織性能的研究報道較少。因此本文開展二次回火工藝對GX23CrMoV12-1耐熱鋼組織與力學性能影響的研究,探究鋼的微觀組織、強度、塑性和韌性與二次回火溫度之間的關系。

1 試驗材料與方法

試驗材料為二重(德陽)重型裝備有限公司提供的某燃氣輪機鑄件用GX23CrMoV12-1耐熱鋼,一次回火態下材料的抗拉強度和屈服強度分別為793和596 MPa,延伸率為18.3%,沖擊吸收能為46 J,化學成分見表1,微觀組織如圖1所示。

(a) OM;(b) SEM

表1 GX23CrMoV12-1耐熱鋼的化學成分(質量分數,%)

采用自制的高溫熱膨脹系數測試實驗裝置測試材料從室溫至1150 ℃的線膨脹量,結果如圖2所示。在824 ℃時材料的線膨脹量出現逆勢下降,說明該溫度附近有相變發生,二次回火溫度需低于此溫度。本試驗二次回火溫度分別設置為710、720、730和740 ℃,保溫6 h,冷卻方式為空冷。二次回火后將材料加工成φ10 mm×12 mm的金相試樣;按標準GB/T 229—2020《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》加工成55 mm×10 mm×10 mm的夏比V型缺口沖擊試樣;按標準GB/T 228.1—2021《金屬材料拉伸試驗第1部分:室溫試驗方法》加工成寬度為10 mm及厚度為2 mm的短比例片狀拉伸試樣。

圖2 GX23CrMoV12-1耐熱鋼在不同溫度下的線膨脹量Fig.2 Linear expansion of GX23CrMoV12-1 heat-resistant steel at different temperature

采用德國蔡司OLYMPUS GX51型倒置式金相顯微鏡觀察材料的顯微組織,采用日本電子JSM-IT500HR型掃描電子顯微鏡觀察材料的微觀組織結構,并利用電鏡附帶的OxFord能譜儀檢測微區組織的化學成分。采用德國布魯克D8 ADVANCE型X射線衍射儀分析材料的物相組成,靶材為Cu 靶,X射線波長為0.15406 nm,工作電流和電壓分別為40 mA和40 kV,掃描速度2°/min,2θ范圍為30°～100°。采用RGM-4300電子萬能試驗機測試材料的強度和塑性,采用HR-150A型洛氏硬度計檢測材料的硬度,采用JBW-300B型沖擊試驗機測試材料的沖擊吸收能,力學性能指標均測量3次取平均值。

2 結果與討論

2.1 組織分析

圖3為GX23CrMoV12-1耐熱鋼經二次回火處理后的顯微組織。從圖3可知,不同二次回火溫度下材料的組織與一次回火后的組織相同,均為細小的板條馬氏體,二次回火溫度對顯微組織無明顯影響。

(a) 710 ℃; (b) 720 ℃; (c) 730 ℃; (d) 740 ℃

圖4是GX23CrMoV12-1耐熱鋼分別在720 ℃和740 ℃溫度條件下二次回火處理后的微觀組織形貌。從圖4可知,馬氏體板條界、原奧氏體晶界處以及馬氏體板條內均分布大量的點狀析出物。相比而言,原奧氏體晶界處的析出相連續分布呈鏈狀,且尺寸較大;馬氏體板條界面位置的析出相尺寸次之,馬氏體板條內的析出相尺寸最小。通過EDS能譜檢測不同位置析出物和馬氏體板條組織的成分如表2所示。可以發現析出物的主要組成元素為C和Cr,另還有少量V和Mo,說明這些析出相主要是碳化鉻及少量碳化釩和碳化鉬。A. Fedoseeva等人[16]的研究結果表明,面心立方結構的MC(M為V、Ta、Nb)相主要在馬氏體板條內析出,尺寸較小;復雜立方結構的M23C6(M為Cr、Fe、W)相主要在原奧氏體晶界和馬氏體板條界面位置析出,尺寸較大,尤其是原奧氏體晶界處的析出相尺寸最大,這與本試驗結果相一致。相較于740 ℃二次回火,720 ℃二次回火處理后耐熱鋼組織中存在較多的大尺寸的析出相。圖5為GX23CrMoV12-1耐熱鋼在720 ℃和740 ℃溫度條件下二次回火處理后的XRD衍射圖。從圖5可知,二次回火處理后GX23CrMoV12-1耐熱鋼的衍射圖譜中只有α′相,未檢測到Cr23C6、Fe23C6、VC和Mo2C等碳化物析出相,這應該是析出相的體積質量分數太低所致。

(a) 720 ℃; (b) 740 ℃

圖5 不同二次回火溫度下GX23CrMoV12-1耐熱鋼的X射線衍射圖譜Fig.5 XRD patterns of GX23CrMoV12-1 heat-resistant steel at different secondary tempering temperatures

2.2 強度和塑性

圖6為GX23CrMoV12-1耐熱鋼經二次回火處理后的強度和延伸率。從圖6可知,與一次回火后的抗拉強度值相比,二次回火后材料的抗拉強度大幅降低。隨著二次回火溫度的升高,抗拉強度呈緩慢下降趨勢。在710 ℃溫度條件下二次回火后材料的抗拉強度達到最大,為684 MPa。其屈服強度隨著二次回火溫度的升高呈先增大再降低的變化規律,730 ℃二次回火后的屈服強度最大,為415.1 MPa。與一次回火后材料的延伸率相比,二次回火后材料的延伸率并未出現增加,反而有所降低。在720 ℃溫度條件下出現了最低的延伸率,這可能與組織中存在較多的大尺寸的析出相有關。耐熱鋼的延伸率隨二次回火溫度的升高呈增加的趨勢,在740 ℃溫度條件下延伸率最大,達到18.5%,說明在該溫度條件下二次回火后材料塑性最好。

圖6 二次回火處理后GX23CrMoV12-1耐熱鋼的強度和延伸率Fig.6 Strength and elongation rate of GX23CrMoV12-1 heat-resistant steel after secondary tempering treatment

2.3 硬度和韌性

圖7為GX23CrMoV12-1耐熱鋼經二次回火處理后的硬度和沖擊吸收能。與一次回火后的硬度值相比,二次回火后材料的硬度明顯降低。隨著二次回火溫度的升高,硬度總體呈降低趨勢,尤其是在二次回火溫度升高至740 ℃時,材料的硬度大幅降低。二次回火后材料的沖擊吸收能較一次回火狀態材料的沖擊吸收能有大幅提高。其沖擊吸收能隨二次回火溫度的升高呈先降低后增大的趨勢,720 ℃溫度條件下材料的沖擊韌性最低,沖擊吸收能為66 J;740 ℃溫度條件下材料的沖擊韌性最大,其沖擊吸收能為71.8 J。GX23CrMoV12-1耐熱鋼韌性的增加與馬氏體的回復和析出相的形態有關。二次回火后,由于馬氏體的回復大角度平均晶界密度增大,裂紋擴展功增加[17-18];同時碳化物析出相的粗化和球化能夠降低裂紋的萌生和擴展,因而韌性增加[19]。

圖7 二次回火處理后GX23CrMoV12-1耐熱鋼的硬度和沖擊吸收能Fig.7 Hardness and impact absorption energy of GX23CrMoV12-1 heat-resistant steel after secondary tempering treatment

3 結論

1)二次回火后GX23CrMoV12-1耐熱鋼的組織仍為細小板條馬氏體,原奧氏體晶界、馬氏體板條界和板條內分布大量的第二相析出物。在720 ℃溫度條件下二次回火處理后,GX23CrMoV12-1耐熱鋼的原奧氏體晶界和晶內出現了較多的粗大析出相。

2)相比一次回火,二次回火后GX23CrMoV12-1耐熱鋼的強度和硬度均大幅降低,延伸率也降低。隨著二次回火溫度從710 ℃升高至740 ℃,材料的抗拉強度和屈服強度呈緩慢下降趨勢,延伸率呈增大趨勢。

3)二次回火后GX23CrMoV12-1耐熱鋼的沖擊韌性較一次回火狀態有顯著提升。在740 ℃溫度條件下二次回火后材料的沖擊吸收能高達71.8 J,較一次回火態提高56%。