620℃高效火电机组用CB2铸钢件材质特性与质量状态分析

我国自2013年以来大力发展620℃高效超超临界发电技术,随着再热蒸汽温度提升至620℃,机组再热系统面临着更严峻的服役环境,传统12%Cr马氏体耐热钢难以满足汽轮机关键部件的服役要求,因此必须采用性能更优异的CB2铸钢来制作汽轮机高温内缸和主汽阀门等大型铸件。本文系统阐述了大型CB2铸钢件的制造工艺、关键工序、合金化原理及主要性能特点,并对不同厂家CB2铸钢件的质量状态进行了对比分析,掌握了国内外不同厂家CB2铸钢件之间的性能差异。结果表明,国产与进口CB2铸钢件的化学成分、常规力学性能处于同一水平,金相组织均为回火马氏体,但国产CB2铸钢件相对于进口产品在晶粒度、非金属夹杂物、δ-铁素体含量控制等方面还存在一定差异。上述研究结果可为CB2铸钢件的采购、订货、质量验收提供技术依据,并为CB2铸钢件的质量改进提供技术参考。

620℃汽轮机用CB2钢高温时效过程组织与析出相演变分析

为获得长时服役过程中CB2钢的组织演变规律和老化特征,研究了CB2钢在620℃高温时效过程中显微组织和析出相的演变行为。结果表明:CB2钢在高温时效过程中显微组织仍为回火马氏体,板条形态清晰、位错密度未见明显下降,组织稳定性良好,供货态中析出的M_(23)C_(6)碳化物大量弥散分布在马氏体板条边界、原奥氏体晶界,在时效过程中尺寸无明显增大,时效8000h后仍在200nm以内,这是CB2钢保持良好高温强度的重要原因。CB2钢高温时效过程中微观组织的变化主要表现为Laves相的析出和长大,它依附于M_(23)C_(6)碳化物优先形核析出并以吞噬机制长大,随时间延长颗粒尺寸呈线性增大、不断粗化,这是造成CB2钢时效脆化的重要原因。

正火温度对CB2耐热钢组织和性能的影响

研究不同正火温度对CB2(ZG12Cr9Mo1Co1Ni VNb NB)耐热钢的组织和力学性能的影响。结果表明,该钢经1100℃×90 min正火+760℃×2 h回火处理具有高的强度和较高的硬度;试验材料的金相组织主要由回火板条马氏体组成,在晶界和马氏体板条界上有碳氮化物析出,且随正火温度的升高,可获得分布更均匀、尺寸更细小的碳氮化物析出相,这种分布均匀的细小析出相是提高材料力学性能的关键。

冷却方式对CB2钢中BN相形态及力学性能的影响

为研究冷却方式对新一代铁素体耐热钢中BN相形态及力学性能的影响,制备了含B质量分数为0.012%的CB2钢,经过1 100℃奥氏体化后,分别进行了空冷和水冷.结果表明:经过奥氏体化的CB2钢随着冷却速度的增加,基体中BN相的尺寸随着减小,水冷试样的基体中出现尺寸为600 nm的BN相,并且试样的力学性能都得到了提升;空冷试样中BN相呈不规则块状,内部出现裂纹和碎裂现象,而水冷试样中BN相呈长方体型,结构紧实;冷却速度的增加,缩短了CB2钢基体中BN晶核长大阶段的时间,而过冷度的增大,使BN的形核率增加,因而在基体中形成弥散分布的细小BN相.

CB2耐热铸钢非金属夹杂物研究

利用扫描电镜(SEM)结合能谱仪(EDS)分析研究了非金属夹杂物对620℃等级超超临界汽轮机用CB2耐热铸钢冲击性能的影响。结果表明,CB2铸钢的冲击吸收能量平均值为36.0 J,冲击断口为典型的脆性断口。钢中的夹杂物主要为角状的Al_2O_3、不规则的氮化物-氧化物复合夹杂和白色的铬钼相。Al_2O_3夹杂物和氮化物-氧化物的尺寸在5~10μm,数量较多,铬钼相单个尺寸在10μm左右,聚集分布并呈链状。通过改进CB2铸钢的冶炼工艺,改善了铸钢中非金属夹杂物的水平,使冲击吸收能量提高到了59.3 J,从而提升了CB2铸钢件在超超临界汽轮机中的使用性能,为实现CB2铸钢的自主生产提供了参考。

CB2耐热钢的抗氧化性能研究

对CB2耐热钢的抗氧化性能进行了研究。测试了CB2钢在目标工作温度620℃保温至100 h的氧化增重。分别对经氧化处理不同时间的试样进行显微组织观察与硬度测试。结果表明:CB2钢为抗氧化钢,氧化不同时间的试样组织无明显变化,均为回火马氏体,硬度为220~240 HV0.3。CB2钢显示出了优异的高温抗氧化性能和组织稳定性。

w(Co)对CB2钢显微组织和力学性能的影响

为研究w(Co)对CB2钢微观组织和力学性能的影响,调整CB2钢中w(Co)为0. 5%,1. 0%,1. 5%,2. 0%和3. 0%.利用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、室温拉伸等检测方法研究w(Co)对试验钢微观组织和力学性能的影响规律,结合Thermo-Calc和JMatpro-7. 0模拟结果解释其影响机理.研究发现:w(Co)增加提高铬当量的值,使试验钢中δ铁素体含量减少,当w(Co)增加到1. 5%时,δ铁素体基本消失;材料的抗拉强度随w(Co)的增加而增加,而延长率则先增加后降低;结果表明,w(Co)为1. 5%时综合性能较好,即抗拉强度达到805. 13 MPa,延长率达到20. 4%,布氏硬度为260.

铸造冷却速率对CB2钢微观组织和力学性能的影响

采用SEM、TEM和拉伸试验机研究了铸造冷却速率对CB2钢的显微组织和力学性能的影响,分析不同冷却速率对CB2钢中夹杂物的含量、马氏体板条的宽度、析出相的形态和δ铁素体的含量的影响。研究发现:CB2-F和CB2-S钢的夹杂物比例分别为0.196 9%和0.0655 6%;两种钢的马氏体板条平均宽度分别为268.90 nm和301.46 nm;较大的冷却速率能够细化钢中的M_(23)C_6相,并能够减少室温下钢中δ铁素体的含量。较高的冷却速率可以提高CB2钢的强度。此外,在回火后的CB2-S钢的δ-铁素体中观察到长度约为100 nm,直径约为20 nm的M_3C相。δ-铁素体的存在降低了CB2-S钢的析出强化和位错密度。

基于小冲杆试验的CB2耐热钢拉伸性能研究

基于小冲杆试验对设备损伤较小的优点,设计了新型小冲杆拉伸试验装置,对电站锅炉常用的CB2耐热钢进行了小冲杆试验和单轴拉伸试验,研究了小冲杆试验数据与常规拉伸试验数据的关联。对小冲杆试验曲线进行分析,得到了三个特征点数据:屈服载荷F_(y)、极限载荷F_(m)及其相应的位移u_(m),然后将特征点和拉伸试验数据代入公式计算出材料系数,从而得到适用于CB2钢的小冲杆-拉伸试验结果经验关联公式。结果表明,利用经验公式计算得到的屈服强度和抗拉强度与拉伸试验结果的偏差分别为4.50%和2.86%,计算精度较高。这表明:采用微试样进行的小冲杆拉伸试验具有较高的可靠性,可在一定程度上代替传统单轴拉伸试验,为小冲杆试验的推广提供依据。

620℃超超临界汽轮机CB2阀壳铸件试制研究

结合工厂多年超超临界汽轮机铸件生产及620℃等级CB2铸件材料前期试制经验,研究了CB2阀壳铸件的铸造、熔炼、浇注、清理及热处理等工艺方法及控制措施,成功试制了阀壳铸件,其各项检测结果均合格且顺利通过了客户鉴定。这为620℃超超临界汽轮机CB2铸件批量生产提供了重要的技术指导与参考。

Co含量对CB2耐热钢室温力学性能的影响

为研究Co含量对CB2钢室温力学性能的影响,调整CB2钢中Co元素的含量分别为1.0%、3.0%和6.0%。利用室温拉伸和布氏硬度观察Co含量对CB2钢室温力学性能的影响规律,采用扫描电子显微镜、X射线衍射仪和Thermo-Calc热力学分析软件等分析手段,研究Co含量对CB2钢室温力学性能的影响机制。研究发现:随着Co含量的增加,CB2钢的抗拉强度和屈服强度均增加,断面收缩率呈先增加后降低的趋势。当Co含量为3.0%时,能够使CB2钢获得全马氏体组织,同时基体中析出相的平均尺寸最小;当Co含量为3%时,其细化M_(23)C_6相的尺寸的效果最好,增强了析出强化效果,CB2钢抗拉强度为840 MPa,屈服强度为646 MPa,断面收缩率为58.4%,硬度为271 HB。

CB2双包冶炼合浇试生产

CB2材料成分复杂,钢水纯净度要求高,易氧化元素B控制极难。双包冶炼合浇时,冶炼浇注难度更大,因此进行了试生产,并成功控制了B等成分,最终圆满完成试生产。

基于科研实践的金属热处理综合实验设计

热处理是调控金属材料组织与性能的重要方法,是金材专业和材控专业的必修专业知识。针对现有热处理工艺实验教学中存在的不足,结合金属热处理相关科研项目的研究成果,设计了CB2耐热钢的热处理工艺,并对热处理后的显微组织和力学性能进行表征和分析。一方面,综合实验将金属热处理、金相制备、材料科学基础、材料力学性能等方面的知识贯穿起来,培养了学生对专业知识的综合运用能力以及分析问题与解决问题的能力。另一方面,综合实验将工程研究项目的具体内容与实验教学相结合,极大地提高了学生的实验兴趣,提升了学生的工程意识、探索意识和综合素质。

无机复合涂层对CB2铁素体耐热钢在650℃水蒸气中的防护

采用物理共混工艺制备无机硅酸盐复合涂层,研究其对ZG12Cr9Mo1Co1NiVNbNB(CB2)铁素体耐热钢在650℃水蒸气中氧化的防护。结果表明,CB2钢在650℃水蒸气中的氧化严重,氧化过程分段遵循抛物线规律,生成了双层非保护性Fe_(2)O_(3)氧化膜。涂装无机硅酸盐复合涂层使CB2钢的氧化速率显著降低,涂层还具有良好的抗热震性能。在涂层与基体钢的界面处生长一层厚度约2μm的富铬氧化层,使合金的抗氧化性能提高。

热处理工艺对CB2耐热钢组织与性能的影响

利用金相检测、室温拉伸、硬度和冲击检测等方法,研究了均质化冷却方式和回火对CB2耐热钢组织和力学性能的影响。结果表明:均质化后采用空冷,晶粒得到细化,塑韧性更高。两次回火后的马氏体板条变窄小,塑韧性提高,抗拉强度、规定塑性延伸强度分别为708 MPa、516 MPa,冲击吸收能量达到42J,性能优于一次回火试样。

以BNi-2非晶为中间层的CB2耐热钢瞬时液相扩散连接的接头组织和性能研究（英文）

主要研究采用BNi-2非晶态中间层的CB2耐热钢瞬时液相(TLP)扩散连接接头组织和性能,及焊后热处理(PBHT)对接头组织和性能的影响。富Cr硼化物和Cr-Mo硼化物出现在接头的过渡区和扩散影响区,其尺寸和数量在等温凝固完成时达到最大值。随着连接温度和时间的增加,富Cr的硼化物和Cr-Mo硼化物逐渐减少,而BN相逐渐增多。经过焊后热处理后,接头的富Cr硼化物几乎全部消失,而BN相的尺寸和数量增加。在热处理之前,焊接温度为1150℃,保温时间1800 s的接头有最大抗拉伸强度,为934 MPa,延伸率为5.3%。通过焊后热处理,断裂发生在母材,而其延伸率显著提高到20%,而抗拉伸强度降低到720 MPa,其性能与原始的母材性能相近。

Water vapor effects on the oxidation resistance of modified potassium silicate coating at high temperature

An inorganic potassium silicate coating with pigments of alumina,aluminum phosphate,NiCrAlY and copper chromite black was prepared on CB2 stainless steel.Oxidation behavior in either ambient air or O_(2)+H_(2) O mixture at 630℃ for 2000 h was comparatively studied,and the coating exhibited excellent resistance under both test conditions.The water vapor considerably accelerated the oxidation of the uncoated CB2 steel,as the hydroxide,the main constituent of the coating,had a negligible evaporation rate at test temperature,while it had a limited effect on the coated sample.Meanwhile,the existence of coating may prolong or eliminate the incubation period in the O_(2)+H_(2) O mixture at 630℃.After oxidation,the coating matrix is in an amorphous state and fillers as alumina and copper chromite black are stable in the coating.Leucite(KAlSi_(2) O_(6))formed by Al from NiCrAlY and potassium silicate in the coatings was detected after tests either in O_(2) or O_(2)+H_(2) O mixture.

新型无机硅酸盐复合涂层制备及其在高温水蒸气环境的氧化行为

以CB2钢为基体,设计并制备了一种新型无机硅酸盐复合涂层。使用高温水蒸气模拟装置对比研究了CB2钢与涂层试样在650℃高温水蒸气条件下服役1000 h的氧化行为。结果表明,与无涂层的CB2钢样品相比,施加防护涂层的CB2钢的氧化速率减缓30倍,涂层起到了良好的保护作用。CB2钢经氧化1000 h后,氧化层表层疏松且有明显空隙等缺陷,氧化产物以Fe_(2)O_(3)为主;无机硅酸盐复合涂层显著提高了CB2钢的抗氧化性能,经过长期服役(1000 h)后,涂层试片没有出现剥落和开裂的现象。