G115钢中变形机制的原位透射电镜研究

新型马氏体耐热钢⁃G115钢以其优异的性能成为我国650℃超超临界火电机组厚壁部件的候选钢种。本文采用透射电镜中的原位拉伸力学实验,研究了G115钢室温变形条件下的位错行为和塑性变形机制。研究发现,位错间的相互反应、位错墙-位错的相互作用及多尺寸颗粒-位错的交互作用是材料塑性变形的主要机制。位错墙所构成的亚晶界不仅可以阻碍位错的运动,也可以选择性地传输位错。同时,析出相与位错之间的反应非常丰富。晶内随机分布的几十纳米左右粒径的富铜相可以有效钉扎位错并促进颗粒周围的位错增殖,而几百纳米左右粒径的M_(23)C_(6)颗粒则会强烈地阻碍位错滑移,形成位错的塞积和缠结。这些机制对材料的均匀塑性变形均有促进作用。

G115钢异种钢接头渗铝工艺工程化应用研究

主要阐述了G115钢与不锈钢对接异种钢接头的渗铝工艺,并进行了工程化应用研究,摸索出了G115异种钢接头抗氧化渗铝工艺工程化应用方案,为高等级参数锅炉抗氧化提供技术储备。

渗铝G115钢的制备及其在模拟煤炭超临界水气化中的腐蚀行为

为提高G115钢(9Cr-2.8W-3CoCuVNbBN)在煤炭超临界水气化环境下的抗腐蚀性能,开发出可应用于煤炭超临界水气化制氢发电多联产系统中的新一代抗腐蚀涂层材料。采用粉末包埋渗铝工艺,于温度560℃、保温4 h的工艺参数下,在G115钢基体表面制得相对致密完整的铝涂层,并对涂层进行了显微分析。随后将具有铝涂层的G115钢放置在650℃,26 MPa的模拟煤炭超临界水气化中进行高温腐蚀试验,并同时放置未处理的G115钢试样进行对比试验。经1000 h腐蚀后,取样进行X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、能谱(EDS)等测试表征,并进行腐蚀增重研究。G115钢经渗铝后得到涂层厚度约26μm,涂层主要组成元素为Fe和Al。腐蚀后无涂层试样的产物为典型的多层结构,最外层为铁氧化物层,中间为混合氧化物层,最里层为富铬层;而铝化涂层样品的腐蚀产物由最外层Fe-Al、中间层混合氧化物层、内层富铬层组成。经过腐蚀行为对比,发现G115钢试样在模拟煤炭超临界水气化中的腐蚀增重24.44 mg/cm^(2),铝化涂层的G115钢试样在该工况的腐蚀速率约为1.669 mg/cm^(2)。综合分析表明,铝涂层可有效地提高G115钢在煤炭超临界水气化中抗腐蚀性能。

G115钢焊接热影响区组织特征

通过热模拟法得到了G115钢在不同焊接峰值温度下的热影响区,分析了热影响区相转变规律,利用光学显微镜、扫描电镜观察了热影响区组织形貌,结果表明:G115钢粗晶区和细晶区的组织为板条马氏体,临界相变区为细小板条马氏体和高温回火马氏体,亚临界相变区为回火马氏体,高温回火组织的形成会降低临界相变区的综合性能.由于临界相变区形成的奥氏体内化学成分、均匀性及稳定性与母材存在较大的差异,导致在冷却过程中马氏体转变点有所提高,Ms由380℃提高到441℃.粗晶区和细晶区产生了强化效果,临界相变区和亚临界相变区产生了软化效果,软化效果与高温回火效应有密切联系.

G115钢650℃蠕变试验不同时间后的微观组织和硬度

对经1100℃保温1 h空冷正火和710℃回火3 h的G115钢进行了650℃持续1000、1879、5000和7288 h的蠕变试验,检测了蠕变试验后钢的硬度和显微组织。结果表明:G115钢在650℃蠕变试验0~1000 h内,硬度下降较缓慢,随着蠕变试验时间的进一步延长,硬度快速下降。正火和回火后,G115钢晶界和板条界析出了较多细小的粒状M_(23)C_(6)相,650℃蠕变试验后,晶界和板条界析出了较细小的粒状M_(23)C_(6)相和较粗大的块状Laves相,晶内析出细小的富铜相和MX相。蠕变试验0~1000 h过程中有大量相析出,并随着蠕变时间的延长而长大。蠕变试验过程中,位错密度下降,马氏体板条变宽,晶粒长大,导致蠕变试验后钢的硬度降低。在蠕变试验0~1000 h的过程中,由于有大量的相析出,钢的析出强化效果显著,部分弥补了位错强化和马氏体板条强化作用的减弱,因此硬度下降缓慢。析出相不仅影响析出强化效果,还阻碍位错密度下降和马氏体板条变宽,是影响G115钢650℃蠕变试验过程中硬度变化的关键因素。

G115钢650℃时效的组织与性能研究

通过对G115钢经650℃高温时效不同时间后进行拉伸、硬度、冲击试验,并利用SEM及光学显微镜观察其显微组织,研究了G115钢时效后力学性能变化情况。结果表明:G115钢650℃时效后室温屈服强度和抗拉强度呈缓慢下降趋势,硬度值在时效1000h后小幅升高,随后呈缓慢下降趋势;冲击韧性在时效1000h后急剧下降,随后冲击吸收能量趋于稳定。G115钢时效后组织发生了回复,时效初期晶内和晶界形成了大量的第二相颗粒,沉淀强化作用增强,硬度值升高,但由于第二相颗粒在晶界呈链状分布,造成拉伸性能和冲击韧性降低;随着时效时间延长,硬度值、拉伸性能和冲击韧性逐渐降低。

G115钢焊接冷裂纹敏感性研究

G115钢是研发630℃高效超超临界锅炉关键部件的重要候选材料之一,通过斜Y形坡口焊接裂纹试验、焊接热影响区最高硬度试验,对G115钢焊接冷裂纹敏感性进行研究。结果表明:G115钢冷裂倾向较大,但是预热到150℃时,可有效降低焊接冷裂纹出现的概率。

基于ASME规范的G115钢焊条熔敷金属的焊接及热处理工艺

依据ASME规范对G115钢焊条进行了熔敷金属的焊接,并利用箱式电阻炉对熔敷金属进行了热处理试验,对热处理后的试样进行了微观组织观察和力学性能试验,结果表明,熔敷金属经780℃,2 h回火后的显微组织为典型的回火马氏体组织,熔敷金属的冲击吸收功满足标准要求,但存在较大的分散性,熔敷金属的硬度及室温拉伸性能满足相关标准要求。

大型G115钢弯头成型工艺研究

本文主要阐述了大型G115钢弯头中频感应加热弯管和热挤压成型两种工艺方法,并进行两种工艺方法的试验验证,摸索出了G115钢热成型控制温度及热处理工艺,具有了高等级参数锅炉制造的技术储备。

小口径G115新型马氏体耐热钢管接头组织性能分析

采用自主开发的焊材,对我国研制的G115新型马氏体耐热钢进行了小口径管焊接工艺试验,分析了接头的显微组织,测试了接头的力学性能。结果表明,G115小口径管的焊接工艺性良好,在常规GTAW工艺下焊接可以得到无缺陷的焊接接头,接头的常温拉伸和弯曲性能均满足相关要求。焊缝在焊态下的韧性很低,经过760℃×1.5 h的焊后热处理后,其冲击吸收能量由6 J提高到80 J以上。焊后热处理后,启裂区的断裂机制由解理转变为韧窝,明显提高了裂纹萌生需要的能量。G115焊接接头仍然存在细晶热影响区(FGHAZ)和软化带,软化带出现在靠近母材的临界正火区。

高温时效对G115钢蠕变-疲劳裂纹扩展行为的影响

在保载时间600 s,初始应力强度因子范围为23 MPa·m^(0.5)条件下,研究了G115钢在650℃时效1000、2000和3000 h后的蠕变-疲劳裂纹扩展行为。结果表明,随着时效时间的增加,时效后G115钢蠕变-疲劳裂纹扩展速率da/dN显著增加,导致裂纹扩展寿命降低。然而,时效时间的变化对裂纹扩展机制无显著影响,均为伴随大量蠕变损伤的穿晶主导混合断裂模式。沿边界Laves相的快速形核和长大、固溶作用的降低是导致时效后G115钢蠕变-疲劳裂纹扩展寿命降低的主要原因。

G115钢大口径管件的热处理

采用正交试验法,分析了正火温度、正火时间、回火温度、回火时间热处理参数对G115钢性能的影响,并通过热压三通热模拟,研究G115钢大口径管件的热处理工艺。结果表明,回火温度对G115钢强度、硬度和冲击性能的综合影响最大。回火温度为780℃时,强度和硬度保持在较高的水平,冲击性能较优。G115钢大口径管件的热处理推荐工艺为正火温度1070~1090℃,保温时间1~2 min/mm且不小于1.5 h;回火温度770~790℃,保温时间3.5~5 min/mm且不小于4 h。试制G115钢大口径管件经推荐工艺处理后,性能均符合T/CSTM 00017—2017标准要求。

G115钢热压弯成形工艺试验研究

分析了电站典型管件热压弯头、热压三通及热压封头的变形特点,其中热压三通的变形率最大,可达38%。并对G115钢热压弯成形进行了仿真模拟,结果可涵盖变形最为严重的情况。进而设计了热压弯工艺试验,研究了不同成形温度、道次和冷却方式对成形的影响,并对试样进行了外观检验、渗透检验、硬度检验和微观组织观察。通过热压弯工艺试验研究,得出了G115钢管件热压弯成形时的原材料加热温度为1060~1080℃,G115钢管件在600℃以上温度范围内热压弯成形不会产生裂纹等缺陷,其成形后可空冷。试制的G115钢大口径管件的产品性能符合要求,验证了该热压弯工艺的可行性。

新型马氏体耐热钢G115的蠕变性能研究

G115是钢铁研究总院与宝钢联合开发的应用于600~650℃的超超临界锅炉用管钢。对G115热挤压管在130MPa应力下,分别进行625、650和675℃的蠕变性能试验,通过不同温度下蠕变曲线对比,发现G115钢的持久蠕变性能对温度参数较为敏感,提高持久蠕变温度,导致蠕变试样的稳态蠕变速率大大增加;同时对在650和675℃下的持久蠕变断裂试样的金相组织进行分析,两个温度下断裂的两个持久蠕变试样的断裂机制主要是晶界蠕变孔洞的出现和晶内马氏体板条密度降低导致。

新型马氏体耐热钢G115的高温组织演变研究

G115是钢研院与宝钢联合开发的应用于600~650℃的超超临界锅炉用管。将G115热挤压管在625℃、130 MPa应力条件下进行蠕变试验,并在蠕变的不同阶段分别取样进行微观组织观察。蠕变曲线表明,G115钢在该试验条件下进入稳态蠕变阶段后有较长时间稳态蠕变速率持续增加但并不发生断裂;扫描组织分析表明,随着蠕变试验的进行,组织中的马氏体板条未发生明显的退化,马氏体板条宽度增加;透射组织观察表明,随着蠕变的进行,M23C6和Laves相析出物增多长大,但尺寸长大并不明显,析出物主要在晶界处和马氏体板条处聚集对晶界进行强化。

热处理工艺对G115钢铸件组织与性能的影响

以均匀化退火后的G115钢铸件为对象,研究了不同正火+回火工艺处理对其显微组织及力学性能的影响,其中正火工艺分别为1070℃×1 h,AC和1100℃×1 h,AC,回火工艺分为一次回火(780℃×3 h,AC)和两次回火(780℃×3 h,AC+750℃×3 h,AC)。结果表明:随着正火温度的上升,G115钢铸件的室温强度和650℃高温强度均有所上升,而韧性有所下降,塑性无明显变化;随着回火次数的增加,G115钢的室温强度和650℃高温强度均有所降低,韧性和塑性无明显影响。正火+回火处理后G115钢铸件中的析出相主要有Laves相、M_(23)C_(6)以及MX(NbC、VN)相,冲击断口形貌呈解理或准解理断裂特征。随着正火温度升高,马氏体板条块(Block)宽度有所增加,排列相对整齐。原奥氏体晶粒尺寸是G115钢室温强度贡献值中晶界强化量的有效晶粒尺寸。推荐的热处理制度为1100℃×1 h(AC)正火+780℃×3 h(AC)回火。

正火温度对G115钢组织及室温强度的影响

对G115钢进行1065~1120℃不同温度的正火处理,研究其显微组织和室温拉伸性能。结果表明：正火温度由1065℃升至1075℃时,抗拉强度由802.91 MPa降至741.15 MPa;正火温度由1075℃升至1105℃时,抗拉强度出现一个“平台”,约为798.97 MPa;当正火温度由1105℃升至1120℃时,抗拉强度降至745.13 MPa,屈服强度的变化规律与抗拉强度相似;随正火温度由1065℃升至1095℃,G115钢原奥氏体平均晶粒尺寸由38.40μm减小至34.45μm左右,在1075℃至1095℃亦出现个“平台”;当温度升至1120℃时,原奥氏体平均晶粒尺寸为67.64μm。不同正火温度试样均发现较多的富W和Fe元素的Laves相。

正火温度对G115钢组织及650℃强度的影响

在1030-1120℃温度区间,对G115钢进行不同温度的正火处理随后进行780℃×3 h回火,并对其进行显微组织和650℃拉伸性能研究。拉伸结果表明：随正火温度的升高,650℃强度呈现“M”形变化特征。组织观察发现,1030℃时,晶粒重结晶未完全完成;随正火温度由1065℃升至1095℃,G115钢原奥氏体平均晶粒尺寸由38.40μm,减小至34.45μm左右,在1075℃至1095℃出现“平台”;当温度升至1120℃时,原奥氏体平均晶粒尺寸为67.64μm,长大明显。对不同正火温度试样扫描电镜（SEM）的背散射电子（BSE）观察,均发现较多的富W和Fe元素的Laves相。Laves相的尺寸和尺寸超过1000 nm Laves相所占的比例呈现“W”形变化特征。650℃强度随正火温度的变化规律主要与大尺寸的Laves相相关。

G115Cr14Mo4V和8Cr4Mo4V淬回火工艺及性能研究

采用不同淬回火工艺对高温不锈轴承钢G115Cr14Mo4V和高温轴承钢8Cr4Mo4V进行热处理,观察两者的显微组织,检测淬火、回火后的硬度和残余奥氏体含量,并对高温硬度、冲击功和滚动接触疲劳寿命进行测试。结果表明:淬回火后G115Cr14Mo4V钢的室温硬度稍高于8Cr4Mo4V钢,两者的残余奥氏体含量都可控制在3%以内;在高温硬度和滚动接触疲劳额定寿命L10方面,G115Cr14Mo4V钢优于8Cr4Mo4V钢;在冲击功方面,8Cr4Mo4V钢优于G115Cr14Mo4V钢。

焊后回火温度对G115钢熔敷金属组织及室温力学性能的影响

采用G115钢焊条焊接了熔敷金属试板,然后分别在760、780、800、820℃下进行了焊后回火热处理,并对不同回火温度下试样的力学性能和显微组织进行了分析。结果表明,G115钢熔敷金属的最佳回火温度为800℃,随着回火温度的升高,析出相M_(23)C_(6)有长大的趋势。760~820℃回火后的冲击断口表现为韧窝断裂和准解理断裂特征,在韧窝内存在焊接冶金脱氧过程中形成的球形第二相粒子。