分享：高温服役HR3C耐热钢的显微组织变化

HR3C奥氏体耐热钢具有优异的抗高温蠕变性、抗高温氧化性和抗烟气腐蚀性，被广泛应用于火电机组的过热器和再热器中，由于其合金元素含量高于传统的18Cr-8Ni系列不锈钢，故高温服役过程中该钢组织的演变也有明显不同。 

目前已有不少国内外学者对HR3C耐热钢高温服役后的显微组织演变进行了研究，得到HR3C耐热钢管内的第二相主要是M23C6、NbCrN和Nb(C,N)相3种，以及少量的MX相、σ相和M6C相[1-3]，而HR3C钢是通过弥散析出的第二相产生沉淀强化，从而获得了优异的高温力学性能，但随着高温服役过程中组织的进一步演变，材料会出现晶界脆化倾向[4-6]。已有研究[7-10]表明，奥氏体耐热钢的蠕变破坏源于晶界,因此研究晶界的演变过程对分析HR3C钢的使用性能尤其重要。 

此外，也有学者研究了不同服役时间和温度下HR3C钢的显微组织、力学性能的变化[11]，但少有对显微组织的定量分析，以及显微组织与力学性能对应关系的研究，且少有相关标准、文章对HR3C钢组织的老化程度进行评判分级。 

笔者主要对某机组同批次的HR3C高温过热器钢管的显微组织和力学性能进行研究，初步建立起该钢显微组织和力学性能的关系，并讨论不同老化程度时其显微组织和力学性能特征，结果可为HR3C钢的实际应用提供借鉴。 

1.   试验材料及试验方法

某已运行超过12万h超超临界锅炉的过热蒸汽出口温度为605 ℃，蒸汽压力为26.15 MPa，在高温过热器同一管屏上取样，编号分别为2~6号，根据烟气走向及管内介质流向，2~6号试样的实际服役温度依次升高。另取1根同批次但未经投运使用的新管，编号为1号试样，对6根试样进行金相检验、力学性能测试、扫描电镜（SEM）及能谱分析，测试分析不同服役条件下6根试样的显微组织和性能。 

由于受热面管存在迎烟侧与背烟侧，不同位置的显微组织有较大差异，故在管子的同侧截取金相试样与力学性能试样，从而保证材料的显微组织与力学性能一一对应。 

2.   试验结果及分析

2.1   金相检验

使用线切割机在所选取试样上截取横截面金相试样，试样经镶嵌、打磨、机械抛光后，再使用王水对试样进行腐蚀。 

图1为6根试样的显微组织形貌。由图1可知：1号试样为未经投运使用的新管，孪晶界比晶界更加清晰，视野内不规则分布着少量第二相；2号和3号试样显微组织接近，晶界清晰呈粗线状，孪晶界不再清晰可见，其中3号试样比2号试样晶内弥散分布着更多细小的第二相；4号试样晶界第二相粗化、合并，使得晶界呈条状，晶内有较多的颗粒状和针状第二相；5号和6号试样比4号试样的晶界粗化更为严重，晶内第二相数量、尺寸增大得更为明显，基体内密集分布着颗粒状和针状的第二相，晶界部分第二相在制样过程中脱落，形成黑色的坑洞，其中6号试样晶内遍布着颗粒状和针状第二相，使得晶界不再清晰可见。参考DL/T 1422—2015 《18Cr-8Ni系列奥氏体不锈钢锅炉管显微组织老化评级标准》中18Cr-8Ni系列不锈钢组织老化特征，得到1~6号试样的显微组织老化程度依次加重。 

图  1  HR3C钢试样的显微组织形貌

2.2   室温力学性能测试

对选取的6根试样进行室温力学性能测试，其抗拉强度及断后伸长率如图2所示。由图2可知：6根试样的抗拉强度、断后伸长率均与组织的老化程度呈负相关，即组织的老化程度越高，抗拉强度和断后伸长率越低。 

图  2  HR3C钢试样的室温力学性能

1号试样的抗拉强度为878 MPa，断后伸长率为44%，均为6根试样的最高值。服役时间超过12万h试样的抗拉强度和断后伸长率则因实际服役环境而存在较大区别，其中6号试样的抗拉强度和断后伸长率最低，分别为558 MPa和2.5%。根据ASME SA-213/SA-213M 《锅炉、过热器和换热器用铁素体和奥氏体合金钢无缝钢管规范》及GB/T 5310—2023《高压锅炉用无缝钢管》的要求，材料为HR3C钢的高压锅炉用无缝钢管抗拉强度应不低于655 MPa，断后伸长率应不低于30%，故5号和6号试样的抗拉强度低于标准要求，2~6号试样的断后伸长率均低于标准要求。 

2.3   扫描电镜分析

为了研究HR3C钢管高温服役状态下显微组织的变化，使用扫描电镜观察各试样，结果如图3所示。由图3可知：晶界在扫描电镜的Mix模式下更清晰，且晶界第二相的析出、长大和合并使得晶界宽度明显增大，可以进行定量分析。晶内第二相的尺寸小、形状多样、分布不均，且存在第二相脱落的情况，难以对其进行定量分析。 

图  3  HR3C钢试样的SEM形貌

对晶界宽度进行定量时，使用扫描电镜对每根试样的1/2壁厚处进行观察，选取组织均匀的视场进行拍照，并在每张电镜照片中测量5处晶界宽度，所选晶界应为视野中最宽的晶界或亚晶界，只对相邻晶粒形成的晶界进行1次测量，从而计算各试样晶界的平均宽度。 

部分用于测量晶界宽度的HR3C钢试样SEM形貌如图4所示，测量结果如图5所示。1号试样的晶界宽度太小，故未对其进行测量。由图4可知：2号和3号试样的晶界呈粗线状，是由颗粒状第二相相连构成的，各处晶界宽度相近，主要为0.8~1.2 μm；4号试样的晶界呈粗虚线状，由粗化成颗粒状和短棒状的第二相相连构成，宽度约为1.4 μm；5号和6号试样的晶界呈断续条带状，由粗大第二相合并后形成，宽度有明显增大，分别约为1.7 μm和2.3 μm，其中6号试样晶界宽度非常不均匀，晶界宽度普遍超过1.8 μm，部分区域出现超宽的晶界或亚晶界，局部区域宽度可达4 μm；5号和6号试样的晶界（主要是三晶交界处）开始出现大尺寸第二相，且部分大尺寸第二相在制样过程中脱落。 

图  4  部分用于测量晶界宽度的HR3C钢试样SEM形貌

图  5  HR3C钢试样晶界宽度测量结果

晶内第二相虽然难以进行定量，但根据试样的SEM形貌，可大致将晶内第二相的析出情况分成4类。第一类（1号试样）晶内只分布着零星的大尺寸第二相；第二类（2，3号试样）晶内有少量的细小颗粒状或针状第二相；第三类（4号试样）晶内第二相开始粗化，部分第二相与晶界第二相尺寸相近，且局部有颗粒状、针状和短棒状第二相密集析出；第四类（5，6号试样）晶内遍布密集析出的颗粒状、不规则状、针状、短棒状的第二相。 

2.4   能谱分析

为确定HR3C钢在高温服役过程中析出第二相的种类，对6号试样进行能谱分析，结果如图6和表1所示。Nb(C，N)相主要是供货态钢管中原有的富Nb相，尺寸较大、形状不规则、塑性较差，且与基体结合力较弱，但该相在服役过程中不会发生明显变化。由图6可知：谱图1位置为晶内大尺寸第二相，富含Nb、N元素，结合其形貌可知，该相应为富Nb相；谱图2位置为宽度明显增大的晶界；谱图3位置为晶内小尺寸单颗粒第二相，谱图2，3位置的第二相化学成分相同，主要成分为Fe、Cr、Ni元素，且含量相近，为同种第二相，结合其所处位置及形貌，可知该相为M23C6相；谱图4位置即为σ相，该相位于三晶交界处，主要化学成分为Fe、Cr、Ni元素。表1已排除C元素后重新进行归一化处理。 

图  6  6号试样SEM形貌及能谱分析结果

M23C6相在晶界及晶内均有析出，但多分布于晶界，尤其是大角晶界处，极易引起晶界的脆性，且随着服役时间的延长，M23C6相快速长大，在晶界上形成链条状或颗粒状，晶内的M23C6相粗化后形状不规则；晶界上已经析出的M23C6相会继续向着晶内生长而变大变厚。NbCrN相分布在晶界附近和基体中，主要分布在位错线上，呈触须状或短棒状，不会因时效时间的延长而发生明显粗化，但数量会大幅增多。5号和6号试样晶内密集析出的针状、短棒状的第二相均为NbCrN相。 

此外，在700 ℃和750 ℃长期时效过程中，HR3C钢晶界会析出四方结构的σ相[12]，且σ相会使奥氏体耐热钢的塑性明显下降[13-14]。 

2.5   高温力学性能测试

综合考虑所选试样的显微组织与室温力学性能，5号试样晶界开始出现大尺寸第二相，晶内第二相密集析出，且室温抗拉强度及断后伸长率均低于标准下限值（655 MPa），故只对5号试样进行高温力学性能测试。 

在5号试样上取样，并对试样进行650 ℃短时拉伸试验，得到屈服强度为178 MPa，抗拉强度为381 MPa，断后伸长率为13.3%，高温规定延伸强度符合GB/T 5310—2023的要求。 

3.   结论

（1）未老化（初始态）状态下材料的孪晶界比晶界更为明显，除少量呈不规则形状的大尺寸富Nb相外，几乎观察不到其他第二相，室温抗拉强度不小于655 MPa，断后伸长率不小于30%。 

（2）轻度老化状态下材料的晶界呈粗线状，宽度约为1 μm，晶内弥散分布着少量细小的颗粒状M23C6相和针状NbCrN相，室温抗拉强度不低于655 MPa，断后伸长率约为20%。 

（3）中度老化状态下材料的晶界呈粗虚线状，宽度约为1.4 μm，晶内颗粒状M23C6相开始粗化，针状NbCrN相开始大量析出，局部出现第二相密集析出区域，室温抗拉强度依旧不低于655 MPa，但断后伸长率约为15%。 

（4）重度老化状态下材料的晶界宽度普遍超过1.6 μm，可能出现超宽的晶界或亚晶界，局部宽度可超过4 μm，部分三晶交界处存在大尺寸σ相，晶内普遍分布着粗化呈球状和保持颗粒状的M23C6相，同时针状NbCrN相也密集析出，室温抗拉强度已低于655 MPa，断后伸长率低于5%。

文章来源——材料与测试网