长时服役后HR3C耐热钢的微观组织与拉伸性能变化研究

碳中和技术成为火力发电的最有效解决方式之一,HR3C奥氏体耐热钢因其具有优异的高温性能而成为超超临界机组使用的典型高温部件材料。采用SEM、TEM、EBSD等技术对未服役样品和服役时长分别为35564、67705 h的样品进行微观组织观察,同时对几种材料的室温拉伸和高温拉伸性能进行了测量。结果表明:HR3C耐热钢具有良好的高温稳定性,在晶粒组及能源革命的大背景下,超超临界发电织与未服役样品一致,仍为孪晶奥氏体组织。此外,服役后HR3C的大角晶界处出现连续分布的M23C6相,并在晶界附近观察到纳米级NbCrN相。长时服役后其室温拉伸性能和高温拉伸性能与未服役样品并无明显变化。

铌含量对HR3C钢在高温时效过程中显微组织演变的影响

在HR3C钢化学成分的基础上调整铌元素的质量分数分别为0.5%,0.8%和1.1%,熔炼得到3种成分钢锭,再进行热轧、1200℃均匀化退火和固溶处理、750℃不同时间(0~2000 h)时效处理,研究了铌含量对试验钢显微组织、晶粒尺寸和硬度的影响。结果表明:增加铌含量将提高固溶态试验钢中未溶MX相的含量,减小晶粒尺寸;在750℃时效过程中,增加铌含量会促进σ相在晶界和晶内的析出和粗化,提高硬度;在时效2000 h时铌含量对晶界析出相的尺寸和分布影响不大,但对晶内析出相的尺寸和形态有所影响,铌质量分数1.1%试验钢中晶内析出相的数量相对较少且呈条状。

超超临界锅炉HR3C不锈钢高温再热器管失效原因分析

某超超临界锅炉HR3C不锈钢高温再热器管在运行过程中发生泄漏,利用爆口宏观分析、化学成分分析、显微组织观察、力学性能分析等方法对高温再热器失效管样泄漏原因进行了分析。结果表明:管子化学成分、力学性能均符合标准要求,第一爆口管子存在明显机械碰磨进而产生纵向裂纹,高温再热器管子的爆管原因为安装过程未有效控制管子与鳍片的间隙,管子在启停过程中发生机械碰磨,产生应力集中现象,这种应力集中极易导致脆性较大的HR3C母材萌生微裂纹,在长期高温高压以及应力的作用下,使得组织中微裂纹迅速扩展进而导致管子开裂泄漏。针对上述问题,从安装质量、检修、监督运行等方面给出了具体的建议措施。

基于深度敏感压痕研究高温时效对HR3C/T92异种钢焊接接头局部力学性能的影响

应用深度敏感压痕技术(DSI)研究了高温时效对HR3C/T92焊接接头局部力学性能的影响。通过引入压痕特征参量来表征焊接接头各区域的强度、塑性与韧性,采用Oliver和Pharr方法计算弹性模量,并结合微观组织结构演化对时效后HR3C/T92焊接接头局部力学性能的变化进行了分析。结果表明:高温时效后,HR3C侧与焊缝的强度增强,塑性与韧性下降,但在T92一侧,力学性能的变化与之相反;高温时效后,HR3C侧与焊缝中析出大量的第二相粒子;在T92一侧,马氏体板条出现回复,位错出现湮灭。

超超临界锅炉高温再热器HR3C管屏开裂分析及应力优化

某超超临界锅炉二次高温再热器HR3C管屏投运约2 000 h时在冷弯管内弧处发生开裂,从应力水平研究分析其原因。结果表明:弯管金相组织正常,室温抗拉强度合格;裂纹处具有明显的沿晶氧化缺陷特征。弯管截面的椭圆度对弯管应力的影响较大,同时弯管冷弯后未进行固溶处理消除残余应力,在运行过程中促使弯管沿晶氧化缺陷的产生与扩展,最终导致管屏开裂。在实施弯管截面椭圆度控制、固溶处理和安装改进等优化措施后,管屏在后续运行中未发生开裂。

1000 MW超超临界发电机组过热器管T91/HR3C钢焊接接头开裂原因分析

某1000 MW超超临界发电机组运行了约7万小时后其过热器管T91/HR3C钢焊接接头开裂。对开裂的过热器管进行了宏观分析、硬度检验、金相检验和力学性能试验。结果表明:过热器管异种钢焊接时焊缝金属溢流至T91钢侧母材形成扇形异常区,且未焊后热处理,导致接头T91钢侧熔合线部位组织和性能极不均匀,长时间高温运行过程中产生氧化缺口。在内应力、交变应力和拘束应力等的共同作用下,氧化缺口根部产生裂纹,裂纹沿熔合线扩展导致接头开裂。

1000MW二次再热锅炉HR3C材料应用性能研究

高参数百万机组二次再热锅炉在国内已推广发展,在高温高压力下,锅炉材料的选择非常重要。河源电力二次再热锅炉一次及二次再热器管排采用新型高铬奥氏体不锈钢HR3C管材,对一台1000MW机组锅炉运行三个月后的再热器HR3C管材钢的组织特性、SEM形貌分析、硬度测试、化学成分测试、拉伸测试、宏观形貌等进行了分析。结果表明,HR3C在运行三个月后,HR3C管材的硬度、拉伸脆性等特征均有变化。

T92/HR3C异种钢焊接接头的组织结构和力学性能

采用ERNiCr-3和ERNiCrMo-3两种镍基焊丝,用气体保护钨极电弧焊(GTAW)法实现T92/HR3C异种钢管焊接。研究了接头的显微组织及其力学性能,以及焊后热处理对接头组织结构及力学性能的影响等。结果表明:T92/HR3C异种钢接头焊缝为胞状树枝晶组织,T92侧热影响区(HAZ)主要由过热区、粗晶区及细晶区构成;HR3C侧HAZ没有明显晶粒长大的现象,但晶界、晶内有碳、氮化物析出。ERNiCrMo-3焊接接头的强度、塑性及硬度较高,拉伸断裂位于母材;而ERNiCr-3焊接接头强度、硬度较低,但冲击韧性较高,拉伸断裂位于焊缝。760℃、30 min焊后热处理,有助于改善两种焊接接头的综合力学性能。

T92/HR3C异种钢焊接接头高温拉伸变形及断裂行为

采用500℃和625℃拉伸试验,研究T92/HR3C异种钢管接头的高温变形及其断裂行为。结果表明,在高温拉伸过程中,焊缝、T92侧热影响区(HAZ)及母材(不包含颈缩段)均未发生明显的塑性变形及组织结构的变化,而HR3C侧母材晶粒明显被拉长,HR3C侧HAZ的拉伸变形不明显。HR3C母材塑性变形量随温度升高而明显降低,孪晶回复越少。高温拉伸断口位于T92侧HAZ的细晶区(FGHAZ),呈正断加剪切断的混合断裂方式,均与室温状态下该焊接接头的拉伸变形及断裂行为不同。应力三轴度理论可很好地解释该接头高温短时拉伸变形及断裂特征。

时效热处理对HR3C钢组织结构及力学性能的影响

根据Larson-Miller参数法制订HR3C钢热处理工艺,文章研究时效热处理对HR3C钢组织结构和性能的影响。结果表明,供货态HR3C钢奥氏体晶粒较大,组织孪晶特征明显,晶界、晶内弥散分布着细小的M23C6及MX第二相颗粒;经800℃、110.4 h时效处理,M23C6在晶界析出,呈半连续的链状分布,同时,晶内也析出微细第二相颗粒,弥散强化效应增强度,导致HR3C钢的强度、硬度升高,但韧性降低;经900℃、17.7h时效处理,M23C6在晶界连续分布,厚约2μm;奥氏体晶内第二相颗粒粗大,导致HR3C钢综合力学性能显著降低;时效处理态HR3C钢的拉伸和冲击断口呈沿晶断裂特征,不同于供货态的微孔聚集型断裂特征。

超超临界锅炉用奥氏体耐热钢HR3C的脆化机理

结合室温、高温冲击试验及700℃时效试验,利用光镜、扫描电镜、透射电镜、电子探针等手段对服役态及供货态典型奥氏体耐热钢HR3C的脆化机理进行了研究。结果表明,服役近4万小时后HR3C钢室温及650℃均出现了明显脆化现象,冲击韧性大幅度下降,700℃时效试验结果与此类似。组织分析表明,服役近4万小时的HR3C钢在晶界析出连续片状分布的M_(23)C_6相、沿晶界向晶内生长出针(条)状M_(23)C_6相、晶界周边析出纳米级立方状M_(23)C_6相及弥散Nb Cr N相,Cr、C,P、S 4种元素在晶界明显偏聚。在700℃时效不同时间后相关试验表明HR3C钢在冲击韧性快速下降阶段微观组织中碳化物在晶界已成连续片状分布,未见其余析出相,晶界仅有微量S元素偏聚。M_(23)C_6在晶界的连续片状析出是造成HR3C钢时效脆化的主要原因。

超超临界锅炉用新型奥氏体耐热钢HR3C的高温时效脆化研究

通过冲击性能试验、光镜、透射电镜和扫描电镜等方法对超超临界机组用新型奥氏体耐热钢HR3C经650℃时效不同时间后的冲击韧度和显微组织变化进行了研究。结果表明,HR3C钢在650℃时效过程中具有较明显的时效脆化倾向,时效500 h后冲击韧度由时效前的351.7 J/cm2降低到40 J/cm2以下,而后随着时效时间的延长(直至6000 h),冲击韧度基本稳定在20～25 J/cm2;HR3C钢长时时效后的断裂形式主要是以沿晶断裂为主的脆性断裂;时效初期HR3C钢冲击韧度降低的主要原因是由于沿晶析出较多网状M23C6和少量σ沉淀相造成的;时效后期,M23C6出现聚集、球化、长大,但由于σ相的析出量增加,使该钢时效6000 h后的冲击韧度仍保持在较低的水平。

650℃时效HR3C耐热钢的显微组织与高温拉伸性能

针对650℃直到3000h时效的HR3C钢，研究其显微组织的变化及对其高温拉伸力学性能的影响，探讨650℃时效HR3C钢的高温拉伸断裂机制。结果表明：高温时效过程中，晶界强化、晶内弥散强化和奥氏体基体脱溶弱化等效应导致时效HR3C钢的高温拉伸力学性能发生明显变化。时效初期（〈500h）HR3C钢高温强度变化不大；时效中期（500～1000h）HR3c钢高温强度大幅提高，但塑性持续降低；时效后期（〉1000h），HR3C钢组织结构渐趋稳定，其强度和塑性变化不大。随时效时间延长，HR3C钢高温拉伸断裂机制由正断向剪切断转变。

电站锅炉用HR3C新型奥氏体耐热钢的激光焊接

超(超)临界电站锅炉用新型铁素体、奥氏体耐热钢对传统焊接技术提出了挑战。激光焊接技术作为一种可靠高效的先进焊接方法,为此类钢的焊接提供了经济可行的解决办法。采用窄间隙激光填丝焊接技术,研究了10 mm厚HR3C新型奥氏体耐热钢管的激光焊接性,并对接头显微组织及高温持久强度进行了分析。试验采用3 500 WSlab CO2激光器,填充焊丝为T-HR3C。结果表明,通过优化激光焊接工艺参数,可以获得X射线探伤和渗透检验合格的焊接接头;焊缝具有明显的沿中心对称形态,以细小的柱状晶为主,混夹着少量细小的等轴晶;热影响区晶粒没有明显长大,焊缝与母材的显微硬度相当,没有明显的软化区;焊态下的激光焊接接头高温持久强度较固溶处理的热丝TIG焊接头有明显提高。

新型耐热钢HR3C在超超临界机组高温服役25000h后的性能研究

通过对材料性能、金相、扫描电镜(scanning electronmicroscope,SEM)、能谱(energy disperse spectrum,EDS)、氧化皮、碳化物萃取、透射电镜(transmission electronmicroscope,TEM)等的分析,对在超超临界机组运行5 400和25000h的新型奥氏体耐热钢HR3C进行老化研究,经研究表明HR3C运行25000h后性能的变化主要表现为向火侧室温抗拉强度上升4%,屈服强度下降10%;650℃拉伸性能略有下降;压扁时有脆化,硬度明显提高,表明已发生时效强化;内外壁氧化皮形成致密的Cr2O3层;组织无明显老化,析出物主要为Z相、M23C6和M6C型,碳化物沿晶界较明显析出;运行25000h后析出的碳化物中M6C和M23C6含量明显高于运行5 400 h后析出的含量,表明已有M23C6型碳化物向M6C型碳化物过渡。

HR3C在750℃空气和水蒸气中的高温氧化行为研究

利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪等对奥氏体不锈钢HR3C在750℃静态空气和纯水蒸气中的高温氧化行为进行了对比研究,基于对氧化膜微观结构的细致表征,探讨了HR3C在2种气氛中的氧化机制.结果表明:在2种气氛中,HR3C表面均形成连续的(Cr,Mn)2O3膜;静态空气中HR3C合金的氧化动力学均呈现分段式抛物线规律;水蒸气的存在使得(Cr,Mn)2O3膜破裂这一过程提前并大幅加速合金的氧化,导致纯水蒸气中HR3C的氧化动力学整体偏离抛物线规律;(Cr,Mn)2O3膜的破裂是膜与基体界面空洞和膜内生长应力综合作用的结果,这使得裸露的金属基体直接与高温空气或水蒸气反应,形成Fe3O4瘤状物.

超超临界锅炉用HR3C耐热钢的研究进展

介绍了一种超超临界锅炉用奥氏体耐热钢HR3C的析出相特征、组织演变、力学性能和抗氧化/腐蚀性能。该合金利用Z相（Nb Cr N相）和富Nb的碳、氮化物（MX相）及M（23）C6来进行强化,具有优异的力学性能。在长期服役过程和热暴露条件下,该合金析出的M（23）C6,以及少量有害相如σ相、G相等析出降低了力学性能。该合金具有优良的抗氧化和耐腐蚀性,其抗氧化性能优于Super304H和TP347HFG合金,抗烟气腐蚀能力优于TP347HFG。最后展望了该合金的优化和发展方向。

HR3C钢焊接接头的组织和性能研究

通过拉伸、弯曲、硬度和冲击试验以及断口扫描、X射线衍射和微观组织观察,研究了HR3C钢焊接接头的力学性能与组织的关系。结果表明,HR3C钢的室温组织是单一的奥氏体基体,基体上分布有Cr23C6、CrFe7C0.45、(Cr,Fe)7C3和CrNbN析出相;接头中焊缝是强度、硬度和韧性最低的部位,其中强度和各部位的硬度与组织中析出相的数量、形态和分布有关;焊缝的结晶形态对焊缝韧性有很大的影响,而大量Cr23C6沿晶分布是导致HAZ韧性降低的主要因素。

超超临界锅炉高温再热器T91/HR3C异种钢接头失效分析

在超超临界火电机组锅炉受热面管的高温段有许多异种钢接头,其焊接质量及性能直接影响机组的安全运行。对某3 033 t/h超超临界锅炉高温再热器T91/HR3C异种钢接头的失效试样进行了宏/微观分析。研究表明,失效部位在T91侧热影响区,裂纹沿管子周向分布,从外壁粗晶粒热影响区启裂,终止于细晶粒热影响区。焊后热处理不充分,T91侧热影响区组织不稳定和硬度高是异种钢接头失效的主要原因,建议再次进行焊后热处理以改善接头性能和消除焊接应力。此外,研究发现T91侧熔合线附近形成白亮的低硬度δ-铁素体,其对接头失效虽无直接影响,但对接头长期性能的影响需要进一步评估。

HR3C抗高温硫酸盐腐蚀行为研究

利用X射线衍射、扫描电镜以及电子探针等方法开展了HR3C在750℃下抗碱金属硫酸盐高温腐蚀行为与机理的研究.结果表明:HR3C在750℃、Na2SO4和K2SO4存在条件下的腐蚀动力学曲线可分为两段.前期腐蚀以高温氧化为主,由于生成Cr2O3氧化膜,腐蚀动力学曲线呈现上升趋势;随着腐蚀时间的延长,由于碱金属硫酸盐对氧化膜的破坏程度逐渐加重,以及腐蚀产物Na4(CrO4)(SO4)的大量挥发,动力学曲线呈现下降趋势,硫酸盐通过疏松的氧化膜与基体接触导致基体出现了裂纹及孔洞等缺陷并且产生了严重的内硫化现象.