合金元素(Cr、Ni、Mn、Cu)增强T91钢耐蚀性机理的第一性原理计算研究

为解决核反应堆结构材料T91钢在铅铋合金液中耐腐蚀性低的问题,采用热力学模拟和第一性原理计算相结合的方法,在原子尺度上探究了合金元素Cr、Ni、Mn、Cu增强T91钢的耐腐蚀性能的机理。通过热力学模拟计算研究,确定了T91钢室温下的主要相成分为马氏体结构,搭建了4种第一性原理计算模型马氏体-铬模型、马氏体-镍模型、马氏体-锰模型以及马氏体-铜模型,并计算比较了电子结构以及电荷密度分布,发现合金元素与Fe原子之间形成金属键。通过差分电荷研究分析,发现Cr与Fe原子之间的金属键具有较强的共价键特性且结合最强,Ni与Fe原子之间的金属键也具有一定的共价键特性,但其结合弱于Cr、Cu和Mn原子次之。同时,计算了4种模型中合金元素与基底之间的结合能,发现马氏体-铬模型不仅能量最低,而且Cr与基底的结合很高,说明Cr原子能够提高T91钢的耐腐蚀性能。该研究可为合金元素Cr、Ni、Mn、Cu增强T91钢耐铅铋合金液腐蚀性能提供参考,同时也为新材料的开发以及性能预测提供一种新的研究方法。

经长时服役的超临界锅炉T91/TP347H异种钢接头性能分析

对某超临界锅炉运行7.5万小时的T91/TP347H异种钢接头,采用金相显微镜、万能材料试验机和扫描电镜等仪器设备,研究长时服役后T91/TP347H异种钢接头的性能。结果表明:该异种钢接头薄弱区在T91熔合线处,该位置链状孔洞和脱碳层的形成大大弱化了力学性能,氧化缺口的形成加速了接头的开裂。异种钢接头各区域的冲击性能显著降低,其中焊缝冲击性能最低,实测仅为66 J。

T91钢服役过程中碳化物的熟化分析

通过碳化物的电解萃取、X衍射分析、能谱分析和透射电镜分析等方法,对不同服役时间的T91钢中的碳化物状态及变化进行了研究。结果表明,经长期高温高压作用后,T91钢中碳化物M23C6发生较显著的熟化。碳化物M23C6颗粒形态多由短条形变为球形,仍以板条界分布为主。同时发现碳化物M23C6的化学成分发生变化,Mo、Cr从基体中的固溶态转移到碳化物中的化合态,碳化物M23C4在T91钢中的含量显著增加,由此对碳化物熟化提出了一些新的见解。

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。

高温服役138000h后T91钢显微组织结构分析

通过金相、碳复型萃取、TEM、EDS等方法对已运行138 000 h的T91钢的显微组织结构进行了分析,研究影响T91钢高温服役退化的因素。研究结果显示,运行138 000 h后的T91钢的组织结构发生了很大变化:(1)Laves相在晶界和板条界沉淀析出;(2)沉淀相M23C6和MX粗化;(3)Z相以消耗MX为代价在晶界和亚晶界沉淀析出并迅速长大;(4)回火马氏体发生回复,位错密度降低,亚晶块普遍粗化。Laves相的沉淀析出对T91钢长时高温运行后的性能下降作用不大,而沉淀相粗化导致强化效果下降,阻止亚晶长大的能力下降。另外,Z相的析出消耗掉大量沉淀强化相MX,导致回火马氏体发生回复,亚结构粗化,严重影响T91钢的高温蠕变断裂强度。

T91钢老化后组织与性能研究

研究了T91钢经加速老化后的组织与性能的变化。结果表明,随老化温度、时间、载荷的增加,形成的碳化物网越来越严重,材料的抗拉强度、冲击韧性、硬度下降。经老化后T91钢中的碳化物颗粒粗化且向晶界聚集,晶内碳化物减少。与原材料相比,老化后T91钢试样的冲击断口的准解理区域明显增大。

T91钢高温高压水蒸汽氧化膜微观组织结构研究

利用扫描电镜和能谱仪对高温高压水蒸汽条件下的T91钢氧化层形貌和氧化膜成分进行观察和分析.结果表明:氧化层的外层主要是粗柱状晶组织,其根部为细等轴晶组织;内层是单相无晶界结构.在表面生成CrFe2O6氧化物的单相无晶界非晶体簿膜,它是在Cr、Fe与O的供应相对较充足的环境中,由直径约0.1～0.2 μm的纳米级CrFe2O6氧化物小粒子堆积而成;继续氧化时,在非晶体层表面生长出CrFe2O4氧化物晶体层,在该晶体层生长的初期,(Fe、Cr):O比与非晶体层一致,但Cr逐渐减少而Fe渐多,并且Fe、Cr离子在CrFe2O4氧化物晶体中严重缺位约37%.

T91钢高温水蒸汽氧化层形成机理研究

为了研究T91钢高温高压水蒸汽条件下锅炉管道内壁氧化层的形成机理 ,对T91钢锅炉再热器管内壁高温高压水蒸汽条件下的氧化层形貌进行观察 ,利用X Ray物相分析仪测试氧化层的物相结构。结果表明 :T91钢在高温高压水蒸汽环境下产生的氧化皮内层为极薄且含有大量阳离子空位的单相无晶界CrFe2 O4(阳离子空位约为 3 7% )非晶体结构 :中层为较厚的单相CrFe2 O4细等轴晶和在其上生长的粗柱状晶结构 :外层为Fe3 O4 Fe2 O3

T91钢组织退化行为及对高温持久强度的影响

通过原始T91管的高温时效试验和T91过热器爆管段的取样,分析T91钢在长期服役中的组织演变,包括亚结构、沉淀相等,研究组织退化对高温持久强度和硬度的影响。结果表明,T91钢在高温服役过程中的主要组织变化有:板条马氏体结构发生回复和再结晶,退化为等轴铁素体晶粒,位错密度降低,M23C6型碳化物粗化,Z相在老化末期析出;在等效600℃、0~10万h时效条件下,T91钢的显微组织和高温持久强度非常稳定。Z相析出以前就发生的M23C6粗化及板条亚结构退化为等轴晶是T91钢服役中持久强度降低和爆管的主要因素。T91显微组织退化导致持久强度和硬度的降低。

工艺参数对T91钢管TLP连接组织和性能的影响

在氩气保护下,用FeN iS iB非晶箔T91钢管进行了瞬时液相扩散连接.通过正交实验,研究了工艺参数对接头组织和性能的影响,分析了TLP连接接头的显微组织、力学性能和元素分布,确定出了合适的连接工艺参数.结果表明,在合适的工艺参数下,接头可以获得良好的组织和性能.T91钢TLP连接工艺为温度1250℃,等温凝固时间3 m in,压力6 MPa.

国产T91钢在高温受热面中的应用评价

为了解国产T91钢在高温受热面管服役时组织性能变化规律,通过对国产T91钢原始材质的检验及在发电机组中高温锅炉管的挂样试验,定期取样进行拉伸、冲击、硬度、持久、微观组织等试验,持续跟踪了高温受热面服役环境下国产T91钢的材质组织性能变化。对合金化原理、强化机理及服役过程中的退化机理进行初步讨论。结论表明:国产T91钢原始材质与进口材质相当,具有良好的强塑性以及强韧性;在高温受热面环境下,固溶强化、位错强韧化、沉淀强化等复合强化有效地保障了高温高压环境下组织性能的稳定;长时间运行后表现为位错密度降低、亚晶的形成、碳化物的粗化、Laves相、Z相的析出等共同作用,导致强化效果的减弱从而材质退化。

T91钢管瞬时液相扩散焊接

用FeNiCrSiB非晶合金箔作中间层 ,氩气保护 ,对T91钢管进行了瞬时液相扩散连接。通过正交试验的方法研究了工艺参数对接头组织和性能的影响 ,分析了TLP连接接头的显微组织、力学性能和元素分布 ,确定出了合适的连接工艺参数。研究表明 ,在合适的工艺参数下 ,焊缝为成分与基体相似的固溶体 ,且没有沉淀相 ,可以获得良好的性能。研究出的最佳工艺为 :连接温度 1 2 5 0℃ ,中间层为FeNiSiB非晶合金箔 ,等温凝固时间 3min ,压力 6MPa。

T91钢高温水蒸气氧化动力学研究

利用热分析天平连续称重法和线性回归分析,对T91钢高温水蒸气氧化动力学进行了研究。结果表明,T91钢在550℃、600℃和650℃时的水蒸气氧化动力学遵守y2=kt+c二次抛物线规律;在700℃和750℃时遵守y=kt+c的双直线规律。

T91钢高温应力时效过程中组织与性能的演化

为研究T91钢在高温及应力共同作用下的老化行为,对T91钢在800℃、0~36 MPa应力条件下时效过程中组织和性能的演化进行了研究。结果表明,时效过程中回火马氏体的板条组织特征逐渐消失,晶内和晶界的碳化物数量逐渐减少但尺寸逐渐增大,时效1656 h后的晶界碳化物颗粒尺寸达到4μm。抗拉强度、屈服强度和断后伸长率都随时效时间延长而降低,时效时间达到1656 h时,其抗拉强度为580 MPa,比初始抗拉强度值降低了15%。应力显著促进了T91钢显微组织老化和性能劣化的过程。

热处理对T91耐热钢的组织结构及力学性能的影响

研究了T91钢经700～800℃热处理后的组织结构及力学性能特点,特别是碳化物的长大对T91钢结构与性能的影响。结果表明:供货态T91钢是由板条状铁素体F及在其晶界、晶内弥散分布的M23C6型碳化物构成的回火索氏体组织;随热处理温度的升高和时间的延长,F发生回复、再结晶和晶粒长大;同时,碳化物逐渐在F晶界聚集;经800℃×58 h热处理,碳化物长大成1～3μm的大颗粒,弥散度降低,从而导致T91钢的强度、硬度降低,而塑性、韧性提高。热处理态T91钢具韧窝聚集型断裂机制,塑性断裂特征较供货态明显。

T91钢热浸镀铝及其在水蒸汽中的循环氧化行为

研究SA213T91钢热浸镀铝后并退火后样品在90%Ar+10%H2O气氛中于600,650和700℃下的循环氧化行为。研究结果表明:T91钢热浸镀铝并退火后样品在表面形成Fe2Al5金属间化合物层,该层中有贯穿Fe2Al5层的裂纹;Fe2Al5层下为扩散层;镀层表现良好的抗氧化性能;在600℃氧化速率缓慢,样品表面仅生成极薄的Al2O3膜,其生长方式主要由Al向外扩散为主,而在650℃和700℃时氧化质量增量增大;在循环氧化过程中,由于基体和镀层的热膨胀系数不匹配,镀层在降温和升温过程中将受到循环应力作用,镀层中裂纹增加,并导致镀层剥落。

高温再热器T91钢焊接接头裂纹分析

对T91钢焊接接头泄漏部位进行了宏观检验、显微组织检验、金相分析、元素分析和碳化物的衍射斑点分析。结果表明,焊接接头的裂纹是典型的"Ⅲ型开裂"。焊接温度过高使热影响区粗晶区处析出大量的M23C6型碳化物并粗化,导致晶界韧性恶化、抗蠕变断裂强度弱化是造成焊接接头产生裂纹的主要原因。对此,建议施焊时应适当降低焊接温度,避免碳化物析出并粗化。

服役T91钢中碳化物的萃取工艺与演变规律

通过电解萃取的方法获取了不同服役时间T91钢中的碳化物粒子,利用SEM、XRD、EDS对萃取碳化物的物相、含量、形态及成分进行了分析,讨论了T91钢中碳化物随服役时间的演变规律。研究结果表明,T91钢中碳化物主要有两种:M23C6和MC,其中M23C6占绝大多数。随着服役时间延长,碳化物会发生如下变化:尺寸上,M23C6逐渐沿晶界粗化,MC则相对稳定,运行105296 h后仍未见粗化和增多;形态上,初始的棒状碳化物逐渐开始球化;成分上,Mo、Cr、V由基体逐渐向M23C6中扩散迁移,使得碳化物中Mo、Cr、V增加,Fe含量减少。

T91/12Cr1MoV异质接头焊接残余应力模拟与分析

T91/12Cr1MoV异质接头广泛应用于热电厂主蒸汽管线。由于母材及焊材金属性能的差异,导致该异质接头中会产生较大的焊接残余应力,常常会引起早期失效。利用有限元软件ABAQUS,采用热力顺次耦合的计算程序,对主蒸汽管中T91/12Cr1MoV异质接头的焊管外表面和熔合线方向的焊接残余应力分布进行了模拟,并分析了焊后热处理对焊接残余应力的影响。结果表明,热处理前,焊接残余应力峰值位于管道外表面焊缝两侧的焊接热影响区,其中,以T91侧热影响区的应力峰值最高。焊后热处理可以有效降低焊接热影响区的残余应力峰值,且对12Cr1MoV侧热影响区残余应力的改善效果明显优于T91侧热影响区。

高温空气介质下T91钢氧化动力学研究

用热分析天平连续称重法和线性回归分析对高温空气介质下T91钢氧化动力学进行研究。结果表明,T91钢在650、675℃时的水蒸气氧化动力学遵守三次抛物线规律;在700℃和750℃时遵守双直线规律。