620℃高效超超临界机组用FB2钢高温持久过程组织演变分析

为研究长期服役过程中FB2钢组织的变化规律,在620℃下对FB2钢进行高温持久试验,并对持久试样进行微观组织观察,分析其组织及析出相的演变规律。结果表明:在高温持久过程中,FB2钢的组织仍为回火马氏体;随着持久时间的增加,马氏体组织发生回复,板条略微变宽,位错密度略减小;M_(23)C_(6)碳化物尺寸未发生明显粗化,持久时间达到9577 h后平均尺寸仍在250 nm左右,对马氏体板条边界具有良好的钉扎作用;FB2钢在高温持久过程中新析出Laves相,该相以单独形核和依附M_(23)C_(6)碳化物形核2种方式析出且快速生长,并吞咽M_(23)C_(6)碳化物颗粒;持久时间达到9577 h后,Laves相的最大尺寸可达1μm,仍未达到热力学平衡状态。

COST FB2钢热变形行为及热加工图

利用Thermecmastor-Z热模拟试验机对COST FB2钢进行了等温压缩试验,研究了其在不同热变形工艺参数下的热变形行为、显微组织演变规律以及最优的热加工工艺窗口。结果表明,热变形过程中,流变应力随着变形温度的升高及应变速率的降低而降低,在不同的应变速率与变形温度下,流变应力曲线呈现出动态再结晶、动态回复与加工硬化特征。基于Arrhenius方程和Zener-Hollomon函数,求得COST FB2钢的热变形激活能Q为449.56 kJ·mol-1。建立了本构模型,该模型预测值与试验值吻合度较高。基于Prasad失稳判据建立了COST FB2钢热加工图,结合热变形后的显微组织特征,发现失稳区主要集中分布于变形温度900~950℃、应变速率0.04~0.5 s^(-1)范围内,其显微组织为沿变形方向拉长的带状组织,并存在局部流动性,对应的功率耗散值η较低;安全区显微组织主要特征是部分动态再结晶组织,功率耗散值η较高。确定了其0.8应变量下合理的热加工工艺窗口为:变形温度975~1050℃、应变速率0.01~0.14 s^(-1)以及变形温度1050~1175℃、应变速率0.01~0.5 s^(-1)。

B质量分数对620℃时效中FB2钢组织和力学性能的影响

通过扫描电镜、拉伸性能测试和硬度测试等对620℃长期时效中不同B质量分数的FB2钢进行组织观察和力学性能分析。研究结果表明:在FB2钢620℃长期时效中,M_(23)C_(6)相的平均尺寸随时效时间的延长逐渐增大,其平均尺寸随B质量分数的增加而逐渐减小;Laves相在时效1000 h后析出,并且随着时效时间的延长不断长大粗化,其平均尺寸随B质量分数的增加而逐渐减小;BN夹杂物的析出量随B质量分数的增加而逐渐增大。FB2钢的拉伸性能随着时效时间的延长而逐渐减弱,随B质量分数的增加先增强后减弱,并且在B质量分数为0.010%时拉伸性能达到最强。FB2钢的硬度随着时效时间的延长而逐渐减小,随B质量分数的增加先增大后减小,并且在B质量分数为0.010%时硬度达到最大。当B质量分数由0增加到0.010%时,拉伸性能和硬度的增大是M_(23)C_(6)相和Laves相的平均尺寸的减小所引起的;当B质量分数由0.010%增加到0.030%时,拉伸性能和硬度的减小是BN夹杂物析出量的增加所导致的。为充分发挥钢中B、N的强化作用,同时提高FB2钢的高温性能及稳定性,钢中较优的B质量分数控制在0.010%左右。

620℃汽轮机用FB2转子钢高温时效过程的组织与性能演变

为获得620℃汽轮机转子材料FB2钢在高温下的微观组织和力学性能演变规律,该文对FB2钢在620℃下进行了高温时效特性试验研究。通过室温拉伸试验、冲击试验、硬度测试、扫描电镜及能谱分析、透射电镜分析等方法对不同时间的FB2钢时效试样进行了微观组织与性能的表征。结果表明,高温时效过程中,FB2钢的强度随时间增加而缓慢降低,其延伸率和冲击吸收能量基本不变;该钢的马氏体板条宽度随时间未见明显粗化,位错密度随时间略微下降;M23C6尺寸相比于供货态未见明显粗化,时效10000h后平均尺寸约250nm。大量弥散分布的M23C6颗粒是FB2钢保持高温强度的重要原因。时效过程中,FB2钢的原奥氏体晶界和马氏体板条界处优先析出Laves相,其以吞噬机制逐渐长大,时效10000h后Laves相尺寸达到2.8μm,这是FB2钢微观组织老化的重要特征。研究结果可为620℃高效超超临界机组汽轮机转子的运行监督以及安全评估提供技术支持和依据。

硼元素对FB2钢组织和力学性能的影响

为了研究硼含量对FB2钢组织和力学性能的影响,先对5组不同硼含量的FB2钢用维乐试剂(1 g苦味酸+5 mL盐酸+100 mL无水乙醇)浸泡腐蚀90 s后进行形貌观察与分析。通过SEM-EDS观察分析基体中M_(23)C_(6)型碳化物,然后用Image-pro plus软件对析出相的尺寸进行分析。接着采用日本岛津制造所生产的AG-XPLUS 100 kN万能试验机,对5组不同硼含量的FB2钢进行室温拉伸试验和室温冲击试验。最后对5组不同硼含量的FB2钢进行组织和力学性能的分析。结果表明,FB2钢中的硼元素可以抑制M_(23)C_(6)型碳化物的长大粗化,但是硼元素易于与氮元素形成BN夹杂物。随着硼含量的增加,M_(23)C_(6)型碳化物的平均尺寸呈现降低的趋势,BN夹杂物的单位数量和平均尺寸呈现增大的趋势。FB2钢的室温拉伸性能随着硼含量的增加先升高后降低,并且在硼质量分数为0.010%时FB2钢的室温拉伸性能达到最强。当硼质量分数由0增加到0.010%时,FB2钢的室温拉伸性能升高,这是由于硼元素的加入抑制了M_(23)C_(6)型碳化物的粗化,从而提升了FB2的强度;当硼质量分数由0.010%增加到0.030%时,FB2钢的室温拉伸性能降低是由于硼元素与氮元素结合形成了BN夹杂物,引起应力集中,且大尺寸的BN夹杂物诱发了孔洞的形成,降低了FB2钢的性能。FB2钢的冲击功随着硼含量的增加呈现降低的趋势,且当硼质量分数为0.020%和0.030%时,冲击功出现了骤降,这是由BN夹杂物的单位数量、平均尺的上升和大尺寸BN及杂物的析出导致的。

FB2马氏体耐热钢在焊接热作用下奥氏体相变过程研究

借助光学显微镜、扫描电镜分析对比了FB2马氏体耐热钢在焊接热模拟前后的组织状态,认为FB2钢在快速加热条件(≥100℃/s)下的奥氏体相变是切变型的,表现出奥氏体记忆效应;而在慢速加热条件(≤5℃/s)下其奥氏体相变是扩散型的,该过程是受原子短程扩散控制的,并且无奥氏体记忆效应发生。FB2钢在焊接过程中特殊的相变过程是其焊接热影响区呈现出"无粗晶区"的主要原因。结合已有的文献报道,初步提出了B元素改变FB2钢在加热过程中奥氏体相变类型的机理模型,进一步发展了现有的研究结果。

FB2马氏体耐热钢中Laves相在焊接过程中演化行为的研究

采用热模拟的方法研究了FB2钢(一种新型9%Cr马氏体耐热钢)中Laves相在焊接热循环中的演化行为.首先借助SEM观察到存在于原始供货状态下的FB2钢中尺寸在微米级别的Laves相颗粒;进一步的分析表明,这些Laves相的出现是由铸造过程中的枝晶偏析导致的.焊接热模拟实验结果表明,在加热过程中,Laves相与基体γ-Fe发生共晶反应导致的组分液化会给FB2钢热影响区带来热裂倾向;在冷却后的样品中发现了一些网状的共晶组织,利用SEM/EDS和TEM分别得到了该共晶组织的成分信息和结构信息,确定该共晶组织的2个组分为X相和γ-Fe.在此基础之上,较为详细地分析了不同峰值温度热模拟后样品中共晶组织的形成过程,解释了共晶组织不同形貌的产生原因.

淬火保温时间对FB2耐热钢组织与性能的影响

利用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)对不同淬火保温时间下淬火及回火后的FB2马氏体耐热钢进行显微组织观察,并通过室温拉伸和冲击试验对不同淬火保温时间下热处理后FB2钢的强度、塑性、冲击吸收能量及硬度进行了测试。结果表明,在1100℃淬火,保温时间为1~8 h时,FB2钢的强度、塑性及硬度变化不大,冲击吸收能量随着保温时间的延长而降低。淬火保温时间为8~16 h时,随着保温时间的延长,FB2钢的强度和塑性变化不大,硬度下降,冲击吸收能量上升。随着淬火保温时间在1~8 h范围内增加,FB2钢的原奥氏体晶粒尺寸不断增加,未溶碳化物数量减少,合金元素扩散不均匀,回火后的晶界碳化物粗化程度增加,而当保温时间延长为16 h时仍有碳化物未固溶,晶界及晶内各级界面上碳化物尺寸没有明显差异。

630℃长期时效对FB2转子钢组织和力学性能的影响

通过冲击性能试验、硬度测试、扫描电镜和透射电镜观察等方法对630℃不同时效时间后的FB2转子钢样品进行组织观察和力学性能分析。结果表明,FB2转子钢在630℃时效过程中能够保持较好的高温稳定性; FB2转子钢的冲击断口表现为准解理脆性断裂;在时效前期,位错回复,冲击韧性提高;在时效中后期,由于析出相M_(23)C_6和Laves相在晶界位置聚集粗化,引起应力集中,冲击性能下降,时效5000 h后转子钢的冲击吸收能量为17 J;在长时时效过程中,FB2转子钢的强度下降趋势与析出相M_(23)C_6的尺寸变化趋势相一致,当析出相M_(23)C_6进入尺寸稳定期后FB2转子钢的硬度也基本稳定为253. 4 HBW(5/750),析出相M_(23)C_6是维持FB2转子钢服役性能的重要影响因素。

固溶工艺对FB2转子钢晶粒长大行为的影响

利用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)及透射电镜(TEM)对不同固溶工艺处理后的FB2试验钢进行了组织观察,研究了固溶工艺对FB2转子钢晶粒长大行为的影响。结果表明:当固溶温度低于1050℃时,试验钢的晶粒长大速率较慢,当固溶温度高于1100℃时,晶粒可以迅速长大。延长固溶时间,晶粒长大速率逐渐下降,8h后晶粒不再明显长大。利用Sellars模型,描述FB2转子钢晶粒尺寸与加热温度和保温时间的关系。提高固溶温度能够提高晶界活性和减弱第二相粒子对晶界的“钉扎”作用,使晶粒迅速长大。FB2转子钢在1100℃下,长时间固溶处理,晶粒发生异常长大的倾向不大。

超超临界机组转子钢FB2持久性能和组织演变研究

以FB2转子钢为研究对象,通过高温持久试验、金相显微镜、扫描电镜及透射电镜等研究手段,研究了FB2转子钢在630℃下的持久性能及组织演变规律。结果表明:FB2转子钢为回火马氏体组织,原奥氏体晶界与晶内均析出了大量细小M_(23)C_(6)碳化物。持久实验中在应力作用下,随时间延长,马氏体板条发生分解逐渐变宽,位错密度下降,M_(23)C_(6)碳化物在原奥氏体晶界和马氏体板条边界上逐渐长大,Laves相逐渐在原奥氏体晶界上析出长大,并聚集成链状分布。微观组织结构的变化会显著影响高温持久性能,但FB2转子钢最长断裂点仍能满足630℃、105h持久应力不小于100 MPa的要求。