基于JMatPro软件的X12Cr MoWVNbN10-1-1钢析出相热力学模拟和分析

2021-04-23杨佳奇

材料与冶金学报 2021年1期

杨佳奇

（沈阳开放大学教务处，沈阳 110003）

火力发电是全球电能的主要来源，占总发电量的70%左右，在未来的几十年内仍是主流发电形式.X12CrMoWVNbN10-1-1钢［1-2］（以下简称X12钢）是目前火力发电机组的主流材料，广泛用于汽轮机转子、主蒸汽阀体及涡轮盘等大型铸锻件的生产.火电厂的热效率随蒸汽温度和压力的提高而显著提高，供电煤耗则大幅下降.因此，在节能减排的大背景下，部件材料抗蠕变性能的好坏成为了火电厂蒸汽参数高低的主要影响因素［3］.X12钢属于典型的高合金铁素体耐热钢，具有较好的高温抗蠕变性能，其回火马氏体组织提供了较高的抗蠕变强度，而大量的析出相有效地延缓了高温蠕变过程中回火马氏体的演化，达到延长使用寿命的目的［4-5］.

JMatPro软件［6］常被用于金属材料的相变和性能分析的模拟计算，通过热力学模型数据对热物性能进行推演，其模拟结果与实验结果有较高的一致性.本文采用JMatPro软件对X12钢相的析出过程进行热力学模拟计算，并通过实验验证模拟结果，为制定相应的热处理工艺和调控析出相提供理论依据.

1 实验材料与方法

本文以X12成品钢板为研究对象，板材厚度为10 mm，其化学成分如表1所示.采用JMatPro软件对X12钢进行模拟计算，模拟出平衡状态下的凝固相图，对耐热钢中相析出过程进行热力学计算，得到过冷奥氏体等温转变TTT曲线和连续冷却转变CCT曲线.

钢板以100℃/h的升温速度加热至1 050℃后保温2 h，风冷至室温；以90℃/h的升温速度加热至550℃后保温2 h，随炉冷却.配置4%硝酸的酒精混合腐蚀溶液对金相样品表面进行化学腐蚀，使用带有 X射线能谱分析（EDS）附件的S4800场发射扫描电镜（SEM）观察样品的微观组织和析出相并进行成分分析.采用FEI G20透射电镜对析出相进行形貌观察和定性分析.

表1 X12钢的化学成分（质量分数）Table 1 Chemical composition of X12 steel（mass fraction） %

2 试验结果与讨论

2.1 热力学平衡相图

采用JMatPro软件对X12钢的相析出过程进行热力学模拟计算，模拟结果如图1所示.根据模拟结果可知，X12钢液在凝固过程中，当温度降为1 500℃时，液相中开始出现体心立方结构的δ铁素体晶核并长大，随着温度降低，液相几乎全部转变为δ铁素体.当温度降为1 422℃时，液相质量分数不足5%，体心立方结构的δ铁素体发生相变，此时Fe以面心立方晶格形式存在的γ奥氏体所需要的吉布斯自由能较低，两者自由能之差是δ铁素体向γ奥氏体转变的驱动力，转变过程中，液相完全消失.当温度降为1 192℃时，液相中先结晶的δ铁素体全部转变为γ奥氏体.Yamada等［7］经研究证实，通过在耐热钢中增加Co元素，可抑制室温下残留δ铁素体的质量分数.δ铁素体的存在对于合金质量分数较高的X12钢的抗蠕变性能是有害的，应尽可能室温下避免，因此X12钢的热处理温度不宜超过1 192℃.

随着温度继续降低至890℃，γ奥氏体开始向低温δ铁素体转变.受到碳固溶度急剧降低的影响，X12钢中含有的Cr，Mo等元素以碳化物形式析出，其中M23C6相在904℃析出，LAVES相在700℃析出，Z相在689℃析出.

图1 X12钢平衡相转变量与温度关系Fig.1 Relationship between X12 steel equilibrium phase transition variable and temperature

X12钢中三种析出相元素质量分数与温度关系如图2所示.M23C6相中主要以Cr为主.随着温度的降低，Cr及Mo元素占比提高，而Fe元素占比显著下降至10%.LAVES相是一种AB2结构的金属间化合物，在X12钢中主要由Fe和W元素组成.随着温度的降低，LAVES相的元素含量（质量分数）较稳定.LAVES相是耐热钢中重要的析出强化相，其尺寸比M23C6相还要细小，且其稳定性更高［8］.Z相含 Nb相，多呈棒状，在 X12钢中常以CrNbN形式的双层体心四方结构存在［9］.从图2（c）中可知，Z相结晶时Nb元素质量分数较高，由于X12钢中含有0.2%的V元素，随着温度的降低，Z相中V元素质量分数代替了部分Nb元素质量分数，最终形成CrVNbN相.

图2 X12钢中析出相元素质量分数与温度关系Fig.2 The relationship between the content of precipitated elements in X12 steel and temperature

2.2 合金的TTT曲线和CCT曲线

图3为利用JMatPro软件计算并绘制的X12钢TTT曲线图.从图中可以看出，X12钢中析出相的TTT曲线整体呈现典型的C形.X12钢中M7C3相、M6C相和 M23C6相的“鼻尖区”温度依次升高，分别为760，790和820℃，对应的孕育时间分别为31，30和6 min，开始转变温度分别为800，840和870℃.M6C相呈薄片状存在于晶界处，会弱化晶界强度，属于有害相［10］.M7C3相是非稳定相，在X12钢使用过程中会转变为稳定的M23C6相［11］.利用JMatPro软件模拟的X12钢TTT曲线图可以辅助设计热处理工艺，避免有害相的形成.

图3 X12钢的TTT曲线Fig.3 TTT curve of X12 steel

图4为X12钢的CCT曲线图，反映了X12钢以连续冷却方式冷却时各析出相转变与冷却速度的关系.M6C相无析出的临界冷却速度为10℃/min.因此，X12钢在奥氏体化冷却过程中，在550～700℃时需要大于10℃/min的冷却速度以抑制有害相M6C的析出，同时这一冷却速度也决定了不会出现M7C3相，从而只保留了稳定的M23C6相.

图4 X12钢的CCT曲线Fig.4 CCT curve of X12 steel

2.3 合金的析出相

取X12钢材质的钢板进行1 050℃的奥氏体化和550℃的回火热处理.为避免有害相M6C的形成，奥氏体化冷却方式选择风冷，其温度冷却至550～700℃温度区间时的冷却速度远大于10℃/min，热处理后的扫描电镜图像如图5所示.X12钢基体为回火马氏体组织，在晶粒内部的马氏体板条束间存在大量细小颗粒状和短棒状规则排列的析出相，如图5中箭头所指.通过对小颗粒进行EDS分析发现，A点和B点颗粒主要含有Fe，Cr，Mo，C等元素，其中A点Cr元素质量分数为21.91%，Mo元素质量分数为3.48%，受基体质量分数影响，Fe元素质量分数为67.48%；B点Cr元素质量分数为28.59%，Mo元素质量分数为5.31%，Fe元素质量分数为56.78%.据此可断定其为一种富含Cr和Mo元素的碳化物颗粒.X12钢含有大量Cr，W，Mo，V，Nb等元素，经过热处理后能够形成多种碳化物或碳氮化物，在基体内部阻碍位错运动，延缓X12钢蠕变过程中高强度、高密度位错马氏体向低强度、低密度位错铁素体的演化进程.图5中析出相尺寸和形貌有一定差异，尺寸较小的不足100 nm，尺寸较大的超过200 nm，其形状主要呈近球形颗粒状，如图5（a）中所示；个别尺寸较大的呈短棒状，如图5（b）中所示；未见大尺寸薄片状M6C存在.根据析出相存在位置比较，均为晶粒内部沿板条马氏体边界分布.

图5 X12钢热处理后的扫描电镜图像Fig.5 SEM image of X12 steel after heat treatment

图6 X12钢热处理后的透射电镜图像Fig.6 TEM image of X12 steel after heat treatment

对经过热处理后的X12钢试样进行透射电镜分析，透射图像如图6所示.如图可知，基体中弥散分布大量析出相，通过透射电镜衍射花样定性分析，X12钢热处理后的主要析出相均为碳化物，种类有 M23C6相、M7C3相和 M3C相，其中M23C6相尺寸最大，达到200 nm，形状主要为球形颗粒和短棒状.M7C3相和M3C相尺寸较小，直径约100 nm.结合图1的平衡相转变量与温度关系和图4的CCT曲线图分析认为，X12钢在进行奥氏体冷却过程中，由于冷却速度较快，没有形成碳化物析出，碳仍以间隙固溶状态存在，因此冷却到室温获得高强度、高位错密度的马氏体组织.X12钢在550℃回火过程中富含的Cr，Mo元素与C元素相结合且以碳化物形式析出，同时马氏体位错密度降低、强度降低，形成了具有一定塑性的回火马氏体组织.Inoue等［12］的研究表明，耐热钢中M23C6相是由M7C3相和M3C相在回火过程中演化过来的.因此可断定，X12钢在550℃回火过程中先析出尺寸较小的M7C3相和M3C相，再由M7C3相和M3C相在长大过程中转变为M23C6相.通过对图6（a）观察发现，M23C6相主要存在于马氏体板条界处，这是由于此处位错密度较大，易于Cr，Mo和 C元素在此富集，为 M7C3相和M3C相向M23C6相转变提供有利条件；同时，此处细小的碳化物在高温服役过程中可以起到钉扎位错的作用，延缓微观组织演化，提高X12钢工件的使用寿命.