分享：高温应力下TP347HFG钢的组织

发展清洁煤发电技术可以缓解全球能源紧张、减少环境污染,在众多的清洁煤发电技术中,较现实可行的途径是发展超超临界燃煤发电技术。提高锅炉蒸汽的压力和温度,可以提高超超临界机组的热效率,大幅降低煤耗和排放量[1-3]。近些年,我国致力发展超超临界燃煤发电技术,机组高温部件材料普遍为TP347HFG、Super304H、TP310HCbN等耐热钢,其中TP347HFG耐热钢是在TP347H钢的基础上,通过特殊高温处理,即在最后一道拔管之前将管子进行一次温度高于最终固溶处理温度的软化退火,在高温软化过程中析出大量NbC质点,阻碍最终固溶处理时奥氏体晶粒的长大,使晶粒细化达到8级以上[4-8]。与TP347H钢相比,TP347HFG钢的晶粒较细,有利于加快Cr的扩散迁移速率,与蒸汽中的氧形成致密富Cr的Cr2O3层,从而阻止高温蒸 汽对管子内壁的进一步氧化,具有良好的抗蒸汽氧化性能[9-16]。在温度为600~750 ℃时,TP347HFG钢的许用应力大于比TP347H钢的许用应力,差值大于20%,断裂塑性也优于TP347H钢。因此,TP347HFG钢在超超临界机组锅炉过热器和再热器上得到了广泛的应用。 

笔者采用透射电镜（TEM）和扫描电镜（SEM）研究TP347HFG钢在高温应力作用下的析出相,为应用该型耐热钢的超（超）临界机组的金属监督及运行维护提供数据支持。 

1.   试验方法

根据GB/T 2039－1997《金属拉伸蠕变及持久试验方法》,将规格为45 mm×8.5 mm（外径×壁厚）的国产供货态TP347HFG钢管制成持久试样,在高温蠕变试验机上进行温度为620 ℃的不同应力水平的持久强度试验,控温精度和温度梯度均不大于±3 ℃,试验机的载荷精度为±1.0%。供货态TP347HFG钢管试样的化学成分如表1所示,其持久试验条件如表2所示。借助扫描电子显微镜和透射电镜观察供货态和持久断裂试样的组织结构,用X射线能谱仪对试样进行成分分析,用维氏硬度计测试试样的硬度,试验载荷为10 kgf（1 kgf=9.8 N）。 

2.   试验结果

不同条件下TP347HFG钢持久断裂试样的SEM形貌如图1所示。由图1可知：供货态的组织为奥氏体,组织中存在大量孪晶；棒状颗粒弥散分布于组织中,在晶界和孪晶界处无聚集现象,颗粒尺寸为1.5~6.5 µm[见图1（a）]；棒状颗粒是在冶炼过程中形成的一次碳化物；与供货态试样相比,持久断裂试样的一次碳化物在晶内、晶界分布[见图1（b）]；在应力的作用下,一次碳化物剥落,随着试验时间的延长,一次碳化物剥落数量增多,形成裂纹[见图1（d）]。 

图  1  不同条件下TP347HFG钢持久断裂试样的SEM形貌

620 ℃,300 MPa,118.01 h试验条件下持久断裂试样的TEM（BF）图像及电子衍射花样如图2所示。图2（a）为晶内面心立方结构的NbC,颗粒粗大,尺寸约为5 µm,为一次碳化物；图2（b）为小基体晶粒内分布细小的析出相颗粒,尺寸为20~80 nm；图2（c）为晶界两侧分布位错,电子衍射花样只有一套,为面心立方结构,表明晶界无析出物。 

图  2  620 ℃,300 MPa,118.01 h试验条件下持久断裂试样的TEM（BF）图像及电子衍射花样

620 ℃,250 MPa,1 256.25 h试验条件下持久断裂试样的TEM图像如图3所示。图3（a）为晶内弥散分布的粒状M23C6,尺寸为80~140 nm；图3（b）为晶界不连续分布的M23C6及晶内位错。 

图  3  620 ℃,250 MPa,1 256.25 h试验条件下持久断裂试样的TEM图像

620 ℃,160 MPa,11 640.10 h试验条件下持久断裂试样的TEM（BF）图像如图4所示。图4（a）为晶内棒状NbC颗粒,长度约为110 nm,同时还观察到粒状M23C6颗粒,尺寸为80~100 nm；图4（b）为晶内粒状M23C6与位错缠绕,尺寸为50~130 nm；图4（c）为晶界及其附近区域M23C6碳化物颗粒,尺寸为100~160 nm,不连续分布。对比短时间试验试样,可见随着试验时间的延长,M23C6数量明显增多。 

图  4  620 ℃,160 MPa,11 640.10 h试验条件下持久断裂试样的TEM（BF）图像及电子衍射花样

持久断裂试样的维氏硬度变化曲线如图5所示。短时间断裂试样的断裂面硬度高于其他部位,如620 ℃,300 MPa,118.01 h条件下持久断裂试样的断裂面硬度为298 HV10,随着测试点与断裂面距离的增大,硬度呈降低趋势。说明在短时间断裂条件下,试样的塑性好、颈缩效应明显、断裂面变形量很大,导致其断裂时产生了形变硬化。长时间高温应力条件下,材料的塑性降低,断裂变形量减小,形变硬化效果减弱,导致断裂面硬度降低,如在620 ℃,160 MPa,11 640.10 h条件下,持久断裂试样的断裂面硬度为176 HV10,距断裂面3~19 mm处的硬度为188~198 HV10,断裂面硬度明显低于其他部位。由图5可知：长时断裂试样各个硬度点的数值均明显低于短时断裂试样,这是由于长时试验后大量一次碳化物在晶界及其附近聚集,在应力作用下形成孔洞。 

图  5  持久断裂试样的维氏硬度变化曲线

3.   结论

（1） TP347HFG钢持久试样的晶界析出物为M23C6,晶内析出物为NbC和M23C6。 

（2）晶内及晶界析出的M23C6晶格常数为基体的3倍,随着试验时间的延长,M23C6数量增多。 

（3）持久试样中弥散分布的M23C6和NbC导致材料发生析出强化,提高了硬度；但随着试验时间的延长,持久断裂试样的硬度降低,老化明显。 

文章来源——材料与测试网