高温时效对一种铁镍基合金组织稳定性的影响

杨 权,冯 起,徐 航,赵中赫,郝维勋,李庆春,英晓宇

(1.高效清洁燃煤电站锅炉国家重点实验室，哈尔滨 150046；2. 哈尔滨锅炉厂有限责任公司，哈尔滨 150046)

0 引 言

提高超超临界燃煤电站机组的参数，可以提高燃料热效率、降低煤耗和减少CO2排放，在节能减排、环境保护方面意义重大，是煤炭资源能够高效清洁利用的重要方式和手段[1-2]。先进、发达国家均制定了一系列的研究计划，致力于提高燃煤电厂的燃料利用效率，包括中国的650 ℃计划、欧盟的700 ℃计划和美国的760 ℃计划等，均把更高参数发电机组作为发展方向。更高参数机组的发展，面临的重点、难点问题是高温性能优越材料的研发和利用，要求材料在运行温度下具有良好的强度、蠕变性能和组织稳定性。Ni47Cr23Fe23W7钢以其良好的性能和相对镍基合金较低的价格，是作为高参数锅炉集箱和管道的热门候选材料，该材料是由日本某公司于1986年研制成功的Fe-Ni基合金，主要成分是Ni、Fe、Cr、W，并添加了C、Ti、Nb、B等合金元素，能够形成细小碳化物，起到强化作用，主要依靠W的固溶强化，B的间隙固溶强化和Nb、V形成纳米级MX相的析出强化[3]。国内目前尚无该材料在650 ℃参数下的试验或运行数据。此文通过研究Ni47Cr23Fe23W7大口径管在650 ℃参数下的长时组织稳定性，为650 ℃参数锅炉的选材提供数据支撑。

1 试验研究

1.1 材料分析

试验所用Ni47Cr23Fe23W7大口径无缝钢管是由日本某钢厂生产制造。采用德国ELTRA GmbH公司生产的CS800型碳硫分析仪材料的碳和硫的成分含量进行定量分析；采用力可公司生产的TC500型氧氮测定仪对材料的氧和氮的含量进行定量分析；其他成分采用Thermo ELECTRON CORPORATION生产的IRIS Intrepid II XSP型电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP)和德国斯派克公司生产的M8型光电直读式光谱仪进行定量检测。该材料的实测化学成分见表1。

表1 化学成分 Table 1 Chemical compositions 单位：%

1.2 长期时效试验及组织观察

对原材料大口径无缝钢管进行取样，截取15 mm×15 mm×200 mm的条状试样，以便于热处理和后续的试样加工。在高温时效热处理炉内分别进行650 ℃温度下1 000 h、3 000 h、5 000 h、8 000 h和10 000 h的时效处理。时效处理后，对各不同时长时效处理的试样分别制取金相试样，经过粗磨、细磨和抛光，采用50%盐酸酒精溶液侵蚀后，进行金相组织观察，如图1所示。从金相组织可以看出，时效后钢管的金相组织稳定，金相组织为单一奥氏体组织，晶粒未发生变形或粗化，时效时间达到5 000 h以上后，逐渐在晶界和晶粒内部出现少量析出相，并且析出相尺寸较小，时效时间继续延长后，析出相数量缓慢增加。

图1 不同时效时间后的金相组织Fig.1 Metallographic structure after different aging time

1.3 扫描电镜及能谱观察

为更好的观察析出相的形貌和分析析出相的成分，对制备完成的金相试样进行扫描电镜观察及能谱分析。采用Apollo 300型热场发射扫描电子显微镜及配套的Quantex型能谱仪分别对不同时间时效后的试样进行SEM观察。形貌如图2所示，随着时效时间的延长，晶界及晶粒内部均开始产生颗粒状或短棒状析出相，并且析出相逐渐增多、长大。颗粒状析出相沿晶界和晶粒内部弥散分布，短棒状析出相在晶内弥散分布。

图2 不同时效时间后的SEM形貌Fig.2 SEM morphology after different aging time

对时效10 000 h试样的颗粒状和短棒状析出相进行能谱分析，如图3、图4所示，与基体成分相比， 颗粒状析出相的Cr、W和C含量急剧升高，Fe、 Ni 含量大幅度降低，短棒状析出相的C含量很低。

图3 时效10 000 h试样颗粒状析出相能谱Fig.3 EDS of granular precipitates after aging 10 000 h

图4 时效10 000 h试样短棒状析出相能谱Fig.4 EDS of short rod-like precipitates after aging 10 000 h

2 试验结果分析

650 ℃长时时效试验表明，Ni47Cr23Fe23W7材料的高温性能良好、组织稳定。时效10 000 h后，晶内和晶界有一定量的析出相，析出相缓慢长大，呈颗粒状和短棒状，光学显微镜观察析出相并不明显，与基体之间未见裂纹萌生，呈弥散状分布，对基体起到很好的强化作用。根据析出相的形貌和能谱分析结果判断，颗粒状析出相主要是碳化物M23C6和MC，短棒状析出相主要在晶内较多，该析出相富含W、Cr，含有一定量的Fe，该析出相主要是Laves相(Fe2W)，Laves相是一种密排立方或六方结构的金属间化合物，是长时时效后的主要析出相[4]，且经过10 000 h时效后未发生明显粗化，说明该材料在650 ℃具有优异的长时组织稳定性。

根据Ni47Cr23Fe23W7在650 ℃温度下长时时效后的组织变化，利用组织转变动力学研究中常用的约翰逊-迈尔(JMAK)方程[4]对相变进行程度进行推导。JMAK方程如下：

X=1-exp(-ktn)

式中：X表示组织转变的进行程度；t表示组织转变发生的持续时间；k是与温度有关的系数；n是与形核和长大方式有关的Avrami指数。Ni47Cr23Fe23W7材料的Avrami指数n=0.81。在650 ℃温度下，时效10 000 h后，实测的组织转变进行程度X≈0.005 228，根据JMAK方程对已知数据进行代入，如下：

0.005 228=1-exp(-k·10 0000.81)

经计算，650 ℃温度下的k≈3.02×10-6。

根据JMAK方程X=1-exp(-3.02×10-6·t0.81)，绘制Ni47Cr23Fe23W7在650 ℃下组织转变程度随时效时间变化的曲线，如图5所示。

图5 组织转变程度随时间变化曲线Fig.5 Change curve of tissue transformation degree with time

当组织转变进行程度达到5%时，认为该组织已经开始粗化，即：

5%=1- exp(-3.02×10-6·t0.81)

经计算，t≈166 835 h，即Ni47Cr23Fe23W7钢管在650 ℃温度下，预计需要16.7万小时后组织才开始发生明显粗化，具有优异的组织稳定性。虽然析出的Laves相随着时间逐渐长大，但长大速度极慢。

锅炉设计寿命一般为30年，按每台机组年平均发电时间约5 000 h计算，强化相开始发生粗化的时间应在15万小时以上，才能满足设计寿命要求。根据JMAK方程推算的Ni47Cr23Fe23W7在650 ℃温度下组织开始发生粗化的时间约为16.7万小时，能够满足使用要求。鉴于在650 ℃温度下优异的组织稳定性，Ni47Cr23Fe23W7钢管可作为650 ℃超超临界机组锅炉集箱和管道的候选材料。

3 结 语

1) 在650 ℃下，Ni47Cr23Fe23W7的组织预计开始发生粗化的时间约为16.7万小时，具有优异的组织稳定性。

2) 在高温力学性能满足使用要求的条件下，Ni47Cr23Fe23W7钢管的高温组织稳定性满足650 ℃超超临界机组锅炉集箱和管道候选材料的要求。