P92钢中Laves相在时效过程中的形成及粗化规律

郭晓峰，巩建鸣，姜 勇

（1.内蒙古科技大学机械工程学院，包头014010；2.南京工业大学机械与动力工程学院，南京210009）

0 引 言

随着能源短缺和环境问题的日益严重，燃煤发电技术正朝着超超临界技术方向发展［1-2］。然而，超超临界机组超高的蒸汽参数不仅需要高温构件具有良好的力学性能，而且还要其具备优异的抗氧化特性。T/P92钢凭借优异的综合性能逐渐成为超超临界机组主蒸汽管道的首选用钢［3-5］。

随着T/P92钢在超超临界机组上的广泛使用，材料中析出相的沉淀强化作用引起了学者的广泛关注。Sawada等［6-7］对马氏体板条内弥散分布的均匀、细小MX碳氮化物进行了深入研究，指出晶内MX相通过对位错的钉扎作用，显著提高了材料亚结构的稳定性。Lee［8］在蠕变试验研究的基础上，指出Laves相的出现会导致材料力学性能出现严重的劣化。Hald等［9-12］重点研究了Z相的析出对材料性能的影响，并指出长期服役过程中Z相的析出对材料性能的劣化影响很大。值得注意的是，在T/P92钢服役初期，Laves相将首先析出，并且随服役时间的延长其含量和尺寸会发生显著变化，这对材料性能影响很大。

因此，作者以P92钢为研究对象，采用等温时效处理来模拟实际工况，分别在650℃下对P92钢进行不同时间的时效处理，重点对时效过程中Laves相的形成及粗化规律进行了研究，旨在为超超临界机组的安全运行提供必要的理论依据。

1 试样制备与试验方法

试验所用试样从一尚未使用的P92钢管上截取，热处理采用正火＋回火（称为原始试样），化学成分如表1所示。在650℃下分别对试样进行2 0 0，500，1 000 ，2 000，3 000，5 000h的时效处理，观察不同时效时间下试样中Laves相的形成、尺寸、分布及形貌等特征。

表1 P92钢的化学成分（质量分数）Tab.1 Chemical composition of P92steel（mass） %

金相试样经磨制、抛光后，用体积分数10%硝酸酒精溶液腐蚀，然后采用蔡司AXIO Imager.A1m型光学显微镜（OM）观察；利用JSM-6360型扫描电镜（SEM）对金相试样进行背散射电子相（BSE）分析；透射电镜试样采用金属薄膜试样，制取时先利用线切割技术切取一个0.1mm厚的薄片，然后用砂纸打磨至60μm以内，再用GATAN PIPS-691离子减薄仪减薄至所需厚度，在JEOL JEM-2010型透射电子显微镜（TEM）上进行组织观察。

2 试验结果与讨论

2.1 OM形貌

图1 不同时间时效后P92钢的OM形貌Fig.1 OM morphology of the specimens after aging for different times

从图1中可以看到，原始试样（时效0h）和时效5 000h后试样的基体组织均为回火马氏体，并且在原奥氏体晶界、马氏体板条界和马氏体板条内均存在着弥散分布的颗粒。时效初期（图略）并未观察到马氏体板条和晶界有明显变化，只是在时效5 000h以后发现马氏体板条出现了明显的回复现象。同时，随着时效时间的延长，在晶界上分布的析出相显著粗化，且数量减少。

2.2 SEM 形貌

不同相的原子序数存在差异，导致它们在背散射电子像中的明暗程度也有所不同，利用这一特点，采用背散射电子像可以区分M23C6相和Laves相。由图2可以看出，P92钢原始试样中主要存在位于原奥氏体晶界和马氏体板条界处的灰色析出物以及分布于晶内的细小灰色析出相。能谱分析（图略）表明：这两种相分别为在晶内分布的MX碳氮化物以及在晶界存在的M23C6碳化物，这与文献［11-12］报道相一致。时效200h后，在原奥氏体晶界和亚晶界等界面处均出现了白色明亮相，此时析出相的尺寸相对较小、数量不多；时效500h后，明亮相数量明显增多，并且当时效时间延长到1 000h后，明亮相尺寸变大；时效2 000，3 000h后，明亮相出现了非常明显的聚集和粗化，且已经成为P92钢中平均尺寸最大的析出相。大量研究表明［8，9，11］，P92钢中这些明亮的相为Laves相（Fe，Cr）2（W，Mo）。综上所述，在整个时效过程中，Laves相在时效200h左右迅速析出，并随着时效时间的增加不断聚集、粗化和长大。

2.3 TEM形貌

如前所述，在整个时效过程中，P92钢显微组织最显著的变化就是Laves相的析出、聚集和长大。从图3中可以看出，时效5 000h后Laves相已经成为P92钢中平均尺寸最大的析出相。从图4可知，Laves是一种富含钨的金属间化合物，并且化学成分主要由铁、铬、钨、钼等合金元素组成。

3 结 论

（1）在时效过程中，P92钢的基体组织均为回火马氏体，并且在原奥氏体晶界、马氏体板条界和马氏体板条内均存在着弥散分布的颗粒。

（2）在时效200h左右，Laves相首先在原奥氏体晶界和亚晶界等界面处迅速析出；随着时效时间的延长，Laves相不断聚集、粗化和长大，并且逐渐成为P92钢中平均尺寸最大的析出相。

图2 不同时间时效后试样的背散射电子相Fig.2 Back scattered electron micrographs of the specimens after aging for different times

图3 时效5 000h后P92钢Laves相TEM形貌Fig.3 TEM morphology of Laves phase in P92steel after aging for 5 000h

图4 Laves相的EDS谱Fig.4 EDS pattern of the Laves phase

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