不同时效温度TG700A高温合金相析出行为

钟雨伽

摘  要：在热电站中，锅炉的工作温度和压力越高，其能源利用率越高，但同时也对制造锅炉的材料提出了很高的要求。超超临界锅炉，其工作温度和压力远超过水的临界点，具有很高的能源利用率。而Inconel 740H合金作为超超临界锅炉工作温度最高的部分，再热器的首选材料，其高温性能颇受关注。本文选取的是时效温度为650℃和770℃，在650℃下时效了2000h和3680h，在770℃下时效了2800h和4500h。同时准备了一个未时效的试样作为对比。未时效的试样中几乎没有γ析出相，晶界处有少量析出，同时有铸造缺陷的相。650℃下随时效时间延长硬度增加，表明650℃下时效2000h没有过时效，不过也有可能是误差的原因（选择的试验力小）。但770℃下随时效时间延长硬度增加，与其他文献上的描述不相符，可能是误差的原因。

关键词：超超临界锅炉;Inconel 740H;时效;微观组织

正常情况下，亚临界锅炉每度电的二氧化碳排放量超过880g，超临界锅炉的在800～880g之间，超超临界锅炉的则在740～800g之间。但是，越先进的锅炉运行的数目就越少，毕竟建设先进的锅炉，需要先进的技术和大量的资金。此外还设计出了运行温度更高，热效率更高，温室气体排放量更少的超超临界锅炉，但由于某些技术问题还未投入使用。

1 超超临界锅炉简介

超超临界锅炉可分为三部分，燃烧系统、风烟系统、汽水系统。⁷燃烧系统负责处理燃料，燃烧煤粉，获取热能，产生废气和废渣。风烟系统负责空气流通，将水冷壁产生的低温空气经预热设备进行预热，使用热空气烘干煤粉，并提供助燃剂，产生的烟气将热能送给水和空气，最后经处理后排放入大气中。汽水系统，就是用水产生水蒸气，推动汽轮机发电。水是逐步加热的，经低压加热器加入，然后加压再加热，最后经过热器、再热器形成高温高压蒸汽。

由此可见，过热器、再热器作为最接近汽轮机的部分，其承受的压力和温度都是最高，所以其材料要求最苛刻。下一代超超临界锅炉的设计温度已经超过700℃。但是温度高不是材料设计唯一的难点。现代超临界及超超临界锅炉有一个特点，变压运行。由于用电需求会变化，锅炉不会一直满负荷运行;而随着锅炉负荷的变化，锅炉变压运行，对工质水产生影响的同时，也会对锅炉用材产生影响。在锅炉频繁启停及变负荷运行过程中，锅炉的厚壁受压部件会瞬时承受较大的温度应力，需要对它们进行瞬时应力分析、蠕变-疲劳分析和寿命评估。⁸

2 700℃超超临界锅炉中的高温材料

已经进行可行性研究和产品设计的先进的超超临界锅炉的蒸汽温度可达700℃，但是高温材料问题正是开发的瓶颈，同时阻碍了世界各国超超临界计划的发展。对于700℃超超临界锅炉的设计，不同的设计机构有不同的设计特点，在炉型、燃烧方式选择、水冷壁形式、受热面布置等方面存在一些差异，但无论采用何种设计形式，其关键部件的服役温度差别很小，可以认为设计方案的不同不会对材料的性能要求产生大的变化。

先进700℃的超超临界锅炉设计上，其过热器和再热器的服役温度可能超过700℃，而700～770℃这个温度区间的选用材料是以前锅炉所没用运用过的材料，镍基高温合金将是这个温度区间的主要候选材料。对于先进700℃超超临界锅炉将应用的材料与以往锅炉所选用的材料的对比。

为保证电站稳定运行30～40年，通常700℃等级的超超临界机组中高温部件的材料选择要参照两个基本标准，一是材料100000小时的持久强度不低于100MPa，二是200000小时的氧化腐蚀层厚度要小于2mm，主要是要求材料的高溫力学性能和抗腐蚀能力。其次，材料还应该有良好的焊接技能和良好的加工成型性。

3 实验材料及实验方法

3.1实验材料

实验样品为Inconel 740H试样五个，一个为原始试样（未时效），其余四个试样进行了时效，分别在650℃下时效2000h、3680h，770℃下时效2800h、4500h。试样在时效之前，从铸造开始，经历了均质化、径锻、挤压、冷轧、热处理等工序。

3.2实验方法

（1）使用软件JMatPro计算Inconel 740H的平衡相图。首先测量样品的成分。然后使用JMatPro软件计算Inconel 740H合金的平衡相图，并明确650℃和770℃下的平衡相。

（2）微观组织观察。使用光学显微镜和扫描电镜，对三个试样进行观察。首先将样品制备成金相样品。腐蚀液选择为HCl：HNO3：H2O=10：1：10的溶液。先将腐蚀液配好，然后水浴加热至55℃左右，保温20min，然后用棉球蘸取腐蚀液擦拭试样至腐蚀完毕。使用SEM观察组织时，通过EDS来测量不同相的成分，区分各种组织。

（3）XRD实验。将固体试样表面进行处理，保证合格的粗糙度。XRD实验参数选择，2θ角测量范围为20～100°。

（4）力学性能测试。限于样品大小，选择显微硬度测试。实验加载力为1kg，加载时间为15s。

3.3 实验结果及分析

（1）时效的试样与平衡相图之间的差别。这些差别主要来源于铸造缺陷和杂质元素。铸造缺陷的影响深远，不仅是那些没有溶入基体的颗粒组织，还有成分上的不均匀。两个因素合起来产生了各种球状相，在770℃下这些相形状更不规则一些。其中的富含的Ti元素和N元素很容易结合，经时效有许多碳化物相在上面生成，这会使周围Cr元素含量减少，抗腐蚀性能降低。

（2）650℃下时效的试样与770℃下时效试样的组织差异。770℃的试样中各种析出相都较多，其中γ析出相质量分数大，且尺寸也较大。晶界处的析出相，770℃的形状更不规则一些，650℃的较纤细。至于球状的相，650℃的有一些呈分层结构，里面较暗，四周较亮，而770℃的则亮度均匀。

（3）晶界上的析出相，650℃下部分晶界析出相呈颗粒状，比其他部分晶界宽一些;770℃下时效2800h，部分晶界比其他部分晶界稍宽，时效4500h后，部分晶界比其他部分宽许多，且呈不规则形状。两个温度下都出现了部分晶界较宽的现象，不过两者的形状不同

（4）虽然可以从文献上推测时效后Inconel 740H的硬度，但是显微硬度测试不是很准确。推荐加大试样，使用布氏硬度。不过还是能够确定原始试样硬度最低，650℃时效的试样硬度最高，770℃时效的试样硬度次之，但是相同时效温度下的硬度很接近，无法分辨。Inconel 740H的显微硬度和γ析出相的尺寸相关，平均直径为50nm时其硬度最大。

（5）由于很多析出相量较少，而且γ析出相为纳米尺寸，做XRD测试得到的信息比较少，推荐使用化学萃取或使用TEM衍射的方法确定各种相的组成。XRD仅可检测出γ相和γ相。

参考文献

[1]  陶睿.1000MW超超临界锅炉的主要技术特点浅析[J].大科技，2016，（29）：45.

[2]  党莹樱，赵新宝，尹宏飞，鲁金涛，袁勇，杨珍，谷月峰. Inconel 740H合金750℃长期时效后的组织稳定性[J]. 材料工程，2016，（09）：58-62.

[3]  鲁金涛，杨珍，徐松乾，赵海平，赵新宝，谷月峰. Inconel 740H合金在纯水蒸气环境中的高温氧化行为[J]. 机械工程材料，2015，（10）：37-41.