一种含Re叶片钢的热处理工艺和组织性能研究

彭建强，闫红博，孙福民，宗影影，单德彬

(1.哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，哈尔滨 150001;2.哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，哈尔滨 150046;3.黑龙江科技大学管理学院，哈尔滨 150022)

大功率、高参数、高可靠性、高热效率和清洁环保已经成为当今汽轮机技术的发展方向，超超临界汽轮机正是因这一发展趋势而产生［1］.机组的热效率主要取决于机组的蒸汽参数，即压力(p)和温度(t).蒸汽参数越高，机组的热效率越高［2］.高温叶片是汽轮机的核心部件之一.随着汽轮机蒸汽参数的不断提高，汽轮机高温叶片需要承受的应力越来越高.因此，叶片对于其用钢的高温性能要求也越来越高.

目前，593℃以上超超临界汽轮机高温叶片普遍采用高温合金材料制造，比如 Nimonic 80A［3-5］、R26等。然而，高温合金材料价格昂贵，而且热膨胀系数大，要求汽轮机通流部分的设计动静间隙大，影响机组效率或需要改变结构［6］。为了解决593℃以上超超临界汽轮机高温叶片的用材问题，国内外对电站行业广泛使用的12%Cr铁素体钢进行研究，开发了一系列高温性能优异、热膨胀系数小的新型12%Cr钢，比如TOS203［7］、MTB10A［8-10］、TAF650［11］、KT5331AS0［12-13］等。目前，新型12%Cr铁素体耐热钢已开始替代高温合金用于蒸汽温度为593℃的叶片，更高蒸汽温度使用的12%Cr铁素体叶片钢正在开发、试验中，并在不断改进［14］。现有的研究成果表明电站用铁素体钢的性能极限在630℃。

11Cr10Co2W2MoReVNbNB是一种具有非常高的高温强度的新型12%Cr钢，其使用温度可达630℃.该钢几乎涵盖了所有合金化元素.特别地，其含有很少在钢中添加的难熔元素Re.由于国内首次使用该钢种，关于其制造和各项性能的报道很少，因此，有必要对钢热处理工艺和组织性能进行研究，掌握钢的最佳热处理工艺和组织性能，为钢的制造和应用奠定基础.

本文对此钢进行了热处理工艺试验，对其力学性能、组织性能进行分析.

1 实验

1.1 实验材料和设备

试验选用的材料为国内某钢厂提供的方钢，截面尺寸为100 mm×100 mm.试验用钢采用电炉+电渣重熔工艺冶炼，而后锻制成规格为100 mm×100 mm方钢，并进行了高温回火处理.试验用料的化学成分见表1.硬度采用HVS-1000型维氏硬度计测定，相变点采用Gleeble3800型热/力模拟试验机测定，拉伸力学性能采用INSTRON-5582型电子拉力试验机测定，金相组织采用Olympus-PMG3型光学显微镜观察，断口采用SUPRA55型扫描电镜，透射组织采用FEI Tecnai G2 F30型透射电镜观察，热处理采用箱式电阻炉.

表1 钢的化学成分(质量分数/%)

1.2 热处理工艺

相变点是制定钢热处理工艺的依据.因此，首先采用Gleeble3800型热/力模拟试验机测定了11Cr10Co2W2MoReVNbNB钢的相变点，见表2.

钢的奥氏体化温度为932℃，因此均匀选择3个温度1 000、1 100、1 140℃进行淬火硬度测试.测试结果表明，钢在1 100～1 140℃淬火硬度最高，所以淬火温度选为1 100、1 120、1 140℃.

回火温度的选择由合金本身的性质和使用条件共同决定，由于11Cr10Co2W2MoReVNbNB钢属于高温用钢，必须要有很好的高温组织稳定性，所以回火温度相对普通钢要高.此外，该钢的使用温度达630℃，回火温度要比使用温度至少高30℃，即采用高温回火方式，同时参考类似钢种的回火温度，确定材料回火温度选择为660、680和700℃.

表2 11Cr10Co2W2MoReVNbNB钢的相变点

2 结果及讨论

2.1 不同热处理工艺对性能的影响

将试验用料随炉放入热处理炉中加热，加热到规定温度充分保温后空冷.然后测试试样的拉伸性能、硬度(HB)和冲击性能.不同淬火温度和不同回火温度对材料强度、硬度和塑韧性的影响分别如图1和图2所示.图中，Rm指抗拉强度，Rp0.2指屈服强度，A指延伸率，ARV为冲击功。

从图1可以看出，在1 100～1 140℃淬火温度内:1)材料具有良好的强度和塑韧性;2)淬火温度对材料的强度和硬度没有影响;3)除1 120℃淬火，塑韧性略有提高外，淬火温度对材料的塑韧性基本没有影响.

图1 不同淬火温度对钢性能的影响

从图2可以看出，在660～700℃回火温度内:1)材料具有良好的强度和塑韧性;2)除强度和硬度随回火温度提高而略有下降外，回火温度对材料的强度和硬度基本没有影响;3)除680和700℃回火时韧塑性较高外，回火温度对材料的塑韧性基本没有影响.

从淬火温度和回火温度对材料性能的影响可以看出，钢在1 100～1 140℃内淬火，在660～700℃内回火时，除了在1 120℃淬火、680和700℃回火时性能略好外，钢都具有良好的综合性能，淬火温度和回火温度对材料性能基本没有影响.因此，钢的最佳热处理工艺为(1120±10)℃油冷+(690±10)℃空冷.

图2 不同回火温度对钢性能的影响

2.2 金相组织分析

由热处理工艺的试验结果可以看出，钢在1 120℃淬火、680和700℃回火时性能最好.因此，对1 120℃淬火、680和700℃回火后的11Cr10Co2W2MoReVNbNB钢进行金相组织观察，如图3所示.

从图3可以看出，钢的组织均匀，为回火索氏体，晶粒基本呈等轴状，晶界清晰可见.680℃回火后，钢的平均晶粒尺寸为63 μm左右，存在少量粗大晶粒，尺寸分别为130和300 μm两个级别，总体评价晶粒度为4.5～5级;700℃回火后，钢的平均晶粒尺寸为68 μm左右，存在少量粗大晶粒，粗大晶粒尺寸为110～170 μm，总体评价晶粒度为4.5～5级.

图3 钢热处理后的金相组织

2.3 断口分析

从热处理工艺试验结果可以看出，在1 100～1 140℃淬火、660～700℃回火，钢均具有非常好的塑韧性，V型缺口冲击功均在40 J以上，这在高温叶片用12%Cr中是很罕见的.为了进一步验证钢所具有的高塑韧性，采用德国蔡司SUPRA55扫描电镜对拉伸断口进行了观察，如图4所示.从图中可以看出，断口存在大量韧窝，是典型的韧性断口.

图4 拉伸试样断口形貌

2.4 钢的强化机理分析

11Cr10Co2W2MoReVNbNB钢的主要强化手段是第二相强化，在FEI Tecnai G2 F30型透射电镜下观察，可观察到材料经热处理后，基体中有大量细小、弥散分布的析出相颗粒，且多在晶界处析出，晶粒内部密度明显低于晶界，颗粒尺寸约为100 nm，存在少量粗大颗粒尺寸为0.1～0.5 μm，如图5所示.

对第二相进行元素分析发现碳质量分数在5%左右，主要元素是Fe、Cr.

图5 颗粒状M23C6型碳化物及其能谱分析结果和衍射斑点

经过成分分析和其他同类材料的对比分析，可以确定该材料的第二相析出物为M23C6，也可利用经验公式(1)［15］计算得出.

式中，x为元素的原子数分数，析出 M23C6计算结果:

也可确定第二相析出物为M23C6.其中M主要是Fe和 Cr两种元素，同时也可写成(Fe，Cr)23C6.M23C6型碳化物是含Cr质量分数高于6%的高温合金中常见的化合物，其主要金属元素是Cr，在高温钢中大部分的Fe元素代替了Cr形成Fe23C6型化合物，同时还存在Cr23C6型化合物.由衍射图谱及相关资料确定M23C6型碳化物晶体是复杂的面心立方结构，每个单胞有116个原子，其中92个金属原子和24个碳原子，成分不同的M23C6的点阵常数通常为1.05～1.07 nm.

第二相颗粒析出的位置对材料的性能有很大影响，颗粒状M23C6型碳化物主要是以两种排布方式析出，其一是在板条边界、晶界有规律的排列析出，第二种是在晶粒内部均匀分布.如图5(a)所示，在板条边界和晶界析出颗粒状M23C6型碳化物可以阻碍晶界和相界的运动，对提高持久强度十分有利.在晶粒内部的颗粒状M23C6可以阻碍晶粒变形，减小穿晶断裂的可能，如图5(b)所示.总体来说，弥散的第二相颗粒对提高材料的强度、硬度起着非常重要的作用，同时由于颗粒状M23C6有很好的高温稳定性，所以对材料的高温性能有利［16-17］.

含有质量分数0.2%左右的 Re是11Cr10Co2W2MoReVNbNB钢的特点之一.因此，研究了Re元素在钢中的存在形式.如上所述，钢的组织由马氏体基体和第二相(M23C6碳化物)组成，分别对马氏体基体和碳化物进行能谱分析，发现碳化物中的M主要为Cr、Fe，含有极少量Re，马氏体中含有大量W和Re，说明Re主要存在于钢的基体中，起固溶强化作用.Re强化固溶体的特点是进入基体的Re原子易于形成约1 nm的短程有序的Re原子团［18-19］，位错运动通过原子团时，要破坏Re原子有序区，增加位错运动的阻力，从而提高含Re钢的强度.

3 结论

1)11Cr10Co2W2MoReVNbNB钢在1 100～1 140℃内淬火，在660～700℃内回火时，除了在1 120℃淬火、680和700℃回火时性能略好外，钢都具有良好的综合性能，淬火温度和回火温度对材料性能基本没有影响.钢的最佳热处理工艺为(1 120±10)℃油冷+(690±10)℃空冷.

2)与其他高温用 12%Cr钢相比，11Cr10Co2W2MoReVNbNB钢具有良好的韧性，室温V型冲击功高达40 J以上，断口存在大量韧窝，为典型的韧性断口.

3)对钢在1 120℃淬火、680和700℃回火后的组织进行了观察，钢的组织为回火索氏体，组织均匀、晶粒细小;基体上弥散分布着第二相颗粒M23C6，尺寸约100 nm，存在少量粗大颗粒尺寸为0.1～0.5 μm，是钢中的主要强化相.Re主要存在于基体中，起固溶强化作用.

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