新型奥氏体耐热钢SP2215的开发与研究

通过设计合理化学成分,采用常规高压锅炉用耐热钢管管坯生产工艺,成功生产出新型奥氏体耐热钢SP2215管坯。相比耐热钢HR3C,SP2215合金元素含量低,生产成本相对较低,具有更优秀的热塑性,能更好适应二辊斜轧穿孔工艺;SP2215在650℃、700℃下的高温持久强度显著优于HR3C,高温抗蒸汽氧化腐蚀和焊接性能方面与之相当。因此,SP2215的综合性能明显优于HR3C,可作为620~650℃超超临界电站锅炉用不锈耐热钢材料。

620～650℃锅炉过热器/再热器用新型奥氏体耐热钢SP2215的研发

介绍TP347H、Super304H、HR3C超超临界电站锅炉材料的时效析出强化机理,并在此基础上研发出620~650℃锅炉过热器/再热器用新型奥氏体耐热钢SP2215。分析认为:以22Cr-15Ni为基的Fe-Cr-Ni新型奥氏体耐热钢SP2215,通过加入一定量的Cu、Nb、N,在基体中形成多相复合强化,并在晶界形成M_(23)C_6碳化物强化。SP2215具有高的持久强度(650℃,10~5 h∧130 MPa;700℃,10~5 h∧80 MPa)和良好的抗腐蚀/氧化性能。

650℃时效SP2215奥氏体耐热钢管的微观组织和力学性能

通过OM、SEM、TEM和显微硬度、室温冲击以及高温拉伸试验,研究了650℃时效不同时间后SP2215奥氏体耐热钢管的微观组织、力学性能及断裂机理。结果表明,固溶态SP2215钢微观组织由奥氏体,少量孪晶及未溶Nb N和Z相组成;650℃时效时Cr23C6优先在奥氏体晶界析出,且随时效时间延长逐渐增多、粗化并形成连续网状;球形富Cu相在奥氏体晶内析出且尺寸稳定,时效2012 h约为15 nm;SP2215钢晶内室温显微硬度在时效50 h时基本达到最大值,之后趋于稳定,这与稳定富Cu相的析出强化作用有关;SP2215钢具有明显的高温时效脆化倾向,时效2012 h室温冲击吸收功较固溶态降低约78.5%,室温冲击断裂随时效时间延长由韧性断裂向沿晶脆性断裂转变,这是由Cr23C6在奥氏体晶界析出并逐渐聚集、粗化导致的。SP2215钢在650℃,2.5×10^(-4)s^(-1)应变速率下拉伸时出现锯齿流变(Portevin-Le Chatelier, PLC)现象,锯齿类型为Type (A+B),随时效时间延长PLC逐渐“减弱”,但锯齿类型不变;随时效时间延长SP2215钢高温拉伸屈服强度基本保持稳定,抗拉强度和断面收缩率逐渐降低,高温拉伸断裂由韧性断裂向准解理脆性断裂转变。

SP2215/T92异种钢焊接接头微观组织与力学性能研究

采用手工钨极氩弧焊和ERNiCr-3焊丝制备了SP2215/T92异种钢钢管焊接接头,研究了热处理前后接头的微观组织,力学性能及拉伸断裂机制。结果表明:焊缝金属以完全奥氏体组织凝固成柱状枝晶,Nb元素在枝晶间偏析并形成富Nb第二相粒子,焊后热处理对焊缝组织无显著影响;T92与焊缝金属界面以及SP2215与焊缝金属界面均存在岛状或半岛状宏观偏析,跨T92与焊缝金属界面存在一定程度的碳迁移,而跨SP2215与焊缝金属界面碳迁移现象不明显,焊后热处理对宏观偏析和碳迁移无显著影响;T92侧粗晶热影响区硬度最高,细晶热影响区硬度次之,临界热影响区硬度最低,焊后热处理显著降低了粗晶热影响区和细晶热影响区硬度,改善了T92热影响区的微观组织和力学性能;T92侧熔合线附近形成了δ铁素体,是整个接头硬度最低区域,焊后热处理对δ铁素体的硬度无明显影响;焊态和热处理态接头室温拉伸均在焊缝处以韧性方式断裂,而650℃高温拉伸时均在T92侧以韧性方式断裂。

新型耐热合金SP2215组织与性能的关联性

针对新型SP2215耐热合金,通过一系列持久及冲击实验,研究了其在不同温度和时间时效处理后组织与性能之间的关联性。结果表明,SP2215合金具有优良的高温组织稳定性,在时效过程中会析出富Cu相、MX相、NbCrN相和M_(23)C_(6)等多种纳米级析出相。在时效早期,随着时效温度升高和时效时间的延长,析出相迅速增多,由于析出相的强化作用,合金的强度迅速增加;同时,合金的冲击韧性显著降低,并发生沿晶断裂,JMA相变动力学模型定量计算表明其主要与M_(23)C_(6)碳化物在晶界的连续析出与长大有关。在时效后期,析出相逐渐保持稳定,无有害相析出,晶粒度始终保持在4.5~5级,优异的高温组织稳定性使得SP2215耐热合金在时效后期具有稳定的力学性能,650和700℃的1×10^(5) h持久强度分别达到120和70 MPa级别,可实现对HR3C、Super304H等同类耐热合金的国产替代。

新型奥氏体耐热钢SP2215与HR3C优势的比较

SP2215是由北科大、永兴特钢、武进不锈共同研制开发具有中国自主知识产权的新型奥氏体耐热钢。通过设计科学合理化学成分,永兴特钢采用常规高压锅炉用耐热钢管管坯生产工艺,成功生产出SP2215管坯。相比耐热钢HR3C:SP2215合金元素含量低,生产成本相对较低,具有更优秀的热塑性,能更好适应目前两辐斜轧穿孔工艺;SP2215在6509、700℃下的高温持久强度显著优于HR3C,高温抗蒸汽氧化腐蚀和焊接性能方面与之相当。因此,SP2215综合性能明显优于HR3C,可作为620℃~650℃超超临界电站锅炉用不锈耐热钢候选材料。

630~650℃超超临界参数锅炉受热面管备选材料建议

基于630℃二次再热机组受热面管候选新材料Sanicro25、C-HRA-5、SP2215进行了综合性能分析研究,包括化学成分、微观组织、力学性能、高温时效后的冲击性能、抗蒸汽氧化性、耐腐蚀性和经济性等,并与目前应用于600~620℃机组的传统Super304H和HR3C钢进行比对,结果表明3种新型材料综合性能更为优异,可作为630~650℃机组受热面材料使用。