2.25Cr－1.6W(T23)铁素体耐热钢服役过程中的组织演变研究

聂 铭，于在松，周荣灿

(1.广东电网公司电力科学研究院，广东 广州 510600;2.西安热工研究院有限公司，陕西 西安 710032)

日本住友金属和三菱重工联合开发的2.25Cr－1.6W铁素体耐热钢(ASME案例号CASE2199、日本牌号HCM2S)是在 T22(2.25Cr－1Mo)钢的基础上，吸收了钢102的优点改进的:在T22基础成分中以W取代部分Mo，形成以W为主的W－Mo的复合固溶强化，加入微量Nb和N形成碳氮化物弥散沉淀强化，降低了含C量，提高其加工性能和焊接性能，同时加入微量B提高淬透性以获得完全的回火贝氏体组织［1］，目前已获得ASME批准，钢号为SA213－T23，其化学成分见表1。

T23钢管由于其综合性能良好，目前已广泛应用于大型亚临界电站锅炉的过热器和再热器，或用于超(超)临界锅炉的水冷壁、过热器和再热器。文中通过研究T23钢在高温服役过程中的微观组织演化规律及其对性能的影响，将为充分了解材料的运行状态、减缓服役过程T23钢的性能退化提供理论指导。

表1 T23钢的化学成分 /%

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

试验材料为正火态、供货态(正火+回火)、运行约4万h的管样，试样状态如表2所示。

1.2 试验方法

表2 不同状态2.25Cr－1.6W钢试样

采用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和X射线能谱仪(EDS)等方法对2.25Cr－1.6W 钢中贝氏体形态，碳化物的类型、尺寸和成分等演化规律进行研究。微观组织结构采用Quanta100HV型扫描电子显微镜和JEM－3010型透射电子显微镜进行分析，透射减薄电解液为10%高氯酸和90%无水乙醇溶液，用MTP－1A型双喷电解抛光仪减薄。

采用KYKY SBC－2型碳复型仪萃取2.25Cr－1.6W钢中的沉淀相，并通过SEM和TEM观察钢材在长期高温运行后沉淀相的数量、尺寸、形态以及分布的变化规律，分析沉淀相状态变化对钢材性能的影响机理。

2 结果与分析

2.1 金相组织分析

图1～4分别示出了1#～4#管样的金相组织。

从图1中可以看出，正火后T23钢组织为粒状贝氏体结构，其间夹杂少量铁素体，供货状态的T23钢组织(见图2)为回火粒状贝氏体，分为板条型粒状贝氏体和块型粒状贝氏体两种。

图1 1#管样金相组织

对比运行前后的金相组织，发现经高温长期运行后，板条型粒状贝氏体合并减少，M/A小岛逐渐消失，代之以大量的碳化物呈链状分布在晶界上，晶粒长大，4#管样组织老化最为严重，这可能与4#管样的运行温度最高有关。

2.2 碳化物类型的演变分析

如图5所示，M23C6型碳化物以(Cr，Fe)23C6形式存在，并固溶有少量的W和V，分布于BF板条界和晶界上，呈短条状或椭球状，尺寸在0.5～1 μm之间。图6中15#测点为M23C6型碳化物，16#测点为M6C型碳化物(见表3)，从电子衍射斑点观察到M23C6型碳化物与M6C型碳化物保持一定的位相关系，M23C6转移并最终转化为M6C特征明显。

图2 2#管样金相组织

图3 3#管样金相组织

图4 4#管样金相组织

图5 2#管样TEM照片及碳化物衍射标定

图6 3#管样TEM照片及碳化物衍射标定

表3 3#管样图6所示沉淀相EDS结果

对比图5，6可看出，与未经服役的2#试样相比，T23钢经高温服役老化后，碳化物大量在晶界析出，部分碳化物连成链状分布，W元素大量向M23C6转移并最终转化为M6C。晶内贝氏体铁素体板条界上的碳化物大部分都已溶解消失，M6C在晶界的聚集长大及链状分布大大降低了材料的强度和抗蠕变能力［2］。

2.3 碳化物尺寸的演变分析

对比图7，8可看出，供货态 T23中 M23C6型碳化物细小且呈弥散分布，即分布于晶界处和板条型粒状贝氏体板条界上。服役运行后的T23钢晶内板条型粒状贝氏体板条界上细小的碳化物消失，代之晶界上碳化物聚集长大，并呈链状分布。

图7 2#管样SEM照片

图8 4#管样SEM照片

表4结果显示，2#管样中碳化物主要是M23C6型碳化物(MX除外)，与运行老化后的管样相比，碳化物颗粒平均半径和平均面积都最小，碳化物颗粒间距离也最短，沉淀强化效果显著，是T23钢强化机理的重要组成部分。而运行老化后T23钢中碳化物颗粒平均面积和平均直径都有所增加，颗粒间距增大，沉淀强化效果下降。

2.4 碳化物的Ostwald熟化

图9，10分别示出供货态T23钢的2#管样和运行4万h的3#管样的沉淀相碳复型萃取试验结果。

表4 碳化物尺寸定量分析结果

图9 2#管样碳复型萃取结果

对比图9(a)，10(a)可看出，运行老化后T23钢的M23C6发生显著Ostwald熟化，小颗粒的M23C6逐渐消失，大颗粒M23C6在晶界聚集长大，并最终转变为M6C型碳化物。大颗粒的M6C型碳化物在晶界的聚集将会易于蠕变孔洞以及裂纹的萌生，造成材料持久强度的下降。图9(b)，10(b)显示MX相也发生了类似M23C6的Ostwald熟化。

图10 3#管样碳复型萃取结果

3 结论

(1)T23钢在高温高压环境下服役运行后，发生以下显微组织演变:粒状贝氏体铁素体基体发生回复，板条型粒状贝氏体板条界逐渐消失，晶粒长大;M23C6型碳化物发生Ostwald熟化，晶内小颗粒M23C6型碳化物逐渐消失，大颗粒M23C6型碳化物在晶界聚集、长大;随着运行温度的升高和服役时间的延长，W逐渐向M23C6型碳化物转移，并最终转变为M6C型碳化物;MX也发生Ostwald熟化。

(2)大颗粒碳化物沿晶界聚集长大并呈链状分布，尤其是富W的M6C相的大量出现是性能发生退化的主要原因。

［1］ 韩肇俊.ASME批准认可的第三代新型铁素体耐热钢的性能及应用［J］.中国锅炉压力容器安全，2004，21(1):66 －70.

［2］ 邓永清，朱丽慧，王起江，等.T23钢高温持久微观组织演变研究［J］.锅炉技术，2006，(2):17－20.