9Cr3W3Co钢热变形行为研究

2023-12-01李晗李晓张雪姣霍洁张心金朱琳

大型铸锻件 2023年6期

李晗李晓张雪姣霍洁张心金朱琳

(天津重型装备工程研究有限公司,天津 300457)

火力发电在我国能源工业中占有十分重要的地位[1-2]。超超临界发电机组因具有热效率高、能耗低等优点而逐渐成为火力发电机组技术的主要发展方向[3-4]。超超临界发电机组严峻的工作环境,对高温承压部件的材料性能提出了极高要求,因此亟需提升马氏体耐热钢的使用温度上限,以提高超超临界发电机组的效率[5-7]。随着机组参数的提高,适用于620℃以上的9%Cr铁素体耐热钢被不断开发及应用,9Cr3W3Co钢成为630～650℃超超临界火电机组用锅炉管和汽轮机转子等锻件产品的备选材料之一。近年来,日本物质材料研究所通过控制添加硼和氮的方法研制了MarBN(9Cr-3W-3Co-VNbBN)钢。在此基础上,国内外学者通过各种工艺手段提升了其综合性能。Ernst Plesiutschnig等[8]通过探究分析MarBN钢的初始组织及组织演变过程对其蠕变断裂强度的影响,提升了该钢种的蠕变性能。Antonia Rabl等[9]采用了焦点摆动的方法减少MarBN钢焊接时焊缝微裂纹的产生,提高了其焊接性能和力学性能。基于此,我国钢铁研究总院对MarBN钢的成分进行了优化,研发出G115(9Cr-2.8W-3Co-CuVNbBN)马氏体耐热钢。清华大学研究了不同热处理工艺参数对其综合性能的影响,Peng Yan等[10-11]探究了正火温度对G115马氏体耐热钢强度的影响及回火温度对G115马氏体耐热钢韧性的影响规律,为热处理工艺的制定提供了依据。然而,目前对9Cr3W3Co钢的热变形行为及热加工工艺的研究较少,该钢种通常采用锻造成形,且锻件成形效果严重影响锻件质量,因此深入研究9Cr3W3Co钢的热变形行为及组织演变规律,并绘制热加工图,对该钢种锻件热加工工艺的制定和控制锻件内部组织性能具有重要意义[12]。

1 试验方法

试验用9Cr3W3Co钢在MarBN钢成分基础上进行优化,经过真空炉冶炼,并将冶炼后的铸锭锻造后取样,获得ε10 mm×15 mm的试样,其化学成分如表1所示。高温压缩试验在Gleeble 3500热模拟试验机上进行,压缩试验方案如图1所示。试样首先以10℃/s的速度加热到1200℃后保温5 min,随后以3℃/s的速度冷却至各试样所需变形温度(1000℃、1050℃、1100℃、1150℃、1200℃),在变形温度下保温30 s,再分别以所需变形速率(0.01 s-1、0.1 s-1、1.0 s-1、10.0 s-1)热压缩变形60%(真应变约为0.9),变形结束后水冷至室温。最后将试样沿轴线方向对半剖开,研磨抛光及腐蚀后观察其金相组织[13]。

图1 热压缩过程示意图Figure 1 Schematic diagram of thermal compression process

表1 9Cr3W3Co钢化学成分(质量分数,%)Table 1 Chemical composition of 9Cr3W3Co steel (mass fraction, %)

2 试验结果及讨论

2.1 应力应变曲线

9Cr3W3Co钢在不同变形温度及应变速率下的真应力-真应变曲线如图2～3所示。从图中可知,9Cr3W3Co钢的流变应力随变形程度的增加呈现不同的变化规律。在变形初期,材料的流变应力随应变量的增加而迅速增大,该时期动态硬化占主导地位。随变形量的持续增加,动态软化机制逐渐抵消动态硬化,从而使流变曲线的斜率逐渐减小。随变形量继续增大,高温低应变速率条件下的流变曲线呈现再结晶软化曲线特征,即随变形量增大,动态硬化和动态软化的作用效果逐渐相当,流变应力增大至峰值,然后随着继续变形,应力明显下降;而低温高应变速率条件下的流变曲线呈现回复型曲线特征,即流变应力随变形量的增加而持续增加[14]。

(a)0.001s-1 (b)0.01s-1 (c)0.1s-1 (d)1s-1

由图2可知,在相同应变速率和变形量条件下,流变应力随变形温度的增加而明显减小。这是由于：当变形温度较低时(例如变形温度在1000℃),位错的活化能力较低,不利于产生滑移和攀移,动态硬化占主导地位。随变形温度的升高,位错活化能力增强,在晶粒变形过程中可产生更多的滑移系,从而有利于变形的进行,为动态回复和再结晶提供有利条件,使得动态软化机制逐渐抵消动态硬化机制,流变曲线的斜率趋于平稳。

由图3可知,在相同变形温度和变形量条件下,流变应力随应变速率的增加而明显增大。当应变速率较低(例如应变速率为0.001 s-1)时,材料有足够时间发生动态再结晶,该阶段材料的动态软化作用占主导,因此随应变量增加,材料的流变应力达到应力峰值后降低。当应变速率较高(例如应变速率为1 s-1)时,材料没有足够时间发生动态再结晶,该阶段动态硬化占主导地位,随应变量增加,材料的流变应力持续增加[15]。

图3 9Cr3W3Co钢在不同应变速率下的真应力-真应变曲线Figure 3 True stress-true strain curves of 9Cr3W3Co steel at different strain rates

2.2 动态再结晶过程

锻造成形过程中,应变速率、变形温度及变形程度等因素对锻件的晶粒变化影响显著,从而影响锻件质量,因此探究9Cr3W3Co钢的晶粒演化规律至关重要[16]。不同温度不同应变速率下9Cr3W3Co钢热压缩变形60%后的组织如图4～5所示。从图中可知：(1)当应变速率为0.001 s-1时,变形速率较慢,材料在1000～1200℃范围内变形60%后均发生动态再结晶,其中变形温度为1000℃时,原始晶粒大部分已完成动态再结晶,仅有少数几个大的原始晶粒未完成动态再结晶;1050℃时完全发生动态再结晶;变形温度为1100～1200℃时,再结晶晶粒逐渐长大,且随温度升高,图中晶粒的尺寸明显增大。(2)当应变速率为1 s-1时,应变速率较快,在温度较低时,不利于发生动态再结晶;当变形温度为1000℃时,发生动态回复,晶粒沿变形方向被压扁拉长;1050℃时晶粒被压扁拉长,晶界处变成锯齿状,晶界开始发生再结晶形核;随变形温度升高,图中发生动态再结晶的晶粒增多,直至1200℃,逐渐完成动态再结晶过程[17-18]。

(a)1050℃ (b)1050℃ (c)1100℃ (d)1150℃ (e)1200℃

根据上述真实应力应变曲线反映出的规律可知,较低的应变速率及较高的变形温度有利于动态再结晶的发生,明显出现再结晶晶粒,而相对高应变速率与低变形温度下,材料基本不会发生动态再结晶,仅发生动态回复,原始晶粒被拉长、压扁。

2.3 9Cr3W3Co钢高温本构方程

(1)

在低应力水平下,式(1)可表示为：

(2)

在高应力水平下,式(1)可表示为：

(3)

对式(2)、(3)两边分别取对数可得：

(4)

(5)

图8 ln[sinh(ασ)]与T-1的关系Figure 8 Relationship between ln[sinh(ασ)] and T-1

在此基础上,假定热变形激活能Q与温度T无关,对式(1)两边分别取对数可得：

(6)

图与ln[sinh(ασ)]的关系Figure 7 Relationship between and ln[sinh(ασ)]

Zener和Holloomon提出温度补偿变形速率因子可用于补偿温度和应变速率对热加工过程的影响。Z参数可表示为：

(7)

由式(1)可得

(8)

由此可获得表2所示的不同应变速率与变形温度下的Z值。

表2 不同变形条件下9Cr3W3Co钢的Z值(s-1)Table 2 Z values of 9Cr3W3Co steel under different deformation conditions (s-1)

对式(8)两边分别取对数可得：

(9)

绘制图9所示的lnZ-ln[sinh(ασ)]的关系曲线,并对其进行线形回归分析,求得n=3.7757,A=2.84916×1017。将上述结果代入式(1)中可得9Cr3W3Co钢的热变形方程：

图9 lnZ与ln[sinh(ασ)]的关系Figure 9 Relationship between lnZ and ln[sinh(ασ)]

2.4 9Cr3W3Co钢热加工图

热加工图可反映材料热加工性能的好坏,主要用于确定合理变形工艺参数以获得最优的加工性能。祁荣胜等[22]基于热加工图确定了300M高强钢的较佳工艺范围。吴静怡[23]依据动态材料模型建立了新型Ti-V-Mo系钛合金在ε=0.6时的热加工图,并依此确定出其热加工安全区域。卓秀秀等[24]将热加工图与热变形过程中的组织演变相结合,探究了0Cr17Mnl7M03NiN奥氏体不锈钢热加工最优温度区域。然而,目前9Cr3W3Co钢热加工图的相关研究尚不多见,因此根据9Cr3W3Co钢的应力应变数据绘制了其在0.4应变下的热加工图(见图10)。图中灰色阴影区域为加工失稳区,材料在该区域对应条件下成形时,易发生失稳现象;等值线为功率耗散因子η,反映了材料在成形过程中显微组织演变消耗的能量所占比例。由图10可知：当应变速率较高时,出现两块失稳区,其中低变形温度比高变形温度对应的失稳区面积大,由此说明：高应变速率下,材料易发生失稳,且当应变速率相同时,随变形温度升高,失稳区面积减小,材料越不容易失稳。观察其能量耗散因子η发现：当变形温度较高、应变速率较低时,材料的能量耗散因子数值较大,最大可达0.5,对应的试验钢种因组织演化消耗的能量占总消耗量比重增加,此时材料更容易发生再结晶。该结果为9Cr3W3Co钢热加工工艺的制定提供了试验依据。