二次回火温度对GX23CrMoV12-1耐热钢组织与力学性能的影响

李 林,马 越,鲜 广,范洪远,孙 兰,肖章玉,杨晓兵

(1.四川大学 机械工程学院,四川 成都 610065; 2.二重(德阳)重型装备有限公司,四川 德阳 618013)

燃气轮机是21世纪动力设备的核心,被誉为“工业皇冠上的明珠”。燃气轮机广泛应用在发电、航空和船舶等重要领域。耐热钢是制备燃气轮机发电机组铸件的重要基础材料。近些年,随着燃气轮机工作温度的不断提高,整机制造对耐热钢铸件的性能提出了更高要求。为满足燃气轮机发展的需求,开发新型高性能耐热钢[1-3]、优化铸件的铸造工艺和热处理工艺[4-6]及对燃气轮机零件进行表面强化处理[7]成为燃气轮机制造领域的重要发展方向。

马氏体耐热钢具有高的蠕变强度、耐蚀性和热强性,是制备燃气轮机发电机组铸件的主要材料之一[8]。传统马氏体耐热钢主要以Cr13和9Cr-Mo-V系列钢为主,但这类钢的最高使用温度一般不超过560 ℃,只能满足亚临界机组用钢的使用要求[9-10]。根据钢中合金成分的特点,近几十年马氏体耐热钢已从第一代发展到了第四代,目前超临界和超超临界发电机组铸件广泛采用第三代马氏体耐热钢[11-13]。

GX23CrMoV12-1钢是我国在Cr12不锈钢的基础上研制而成,且已用于燃气轮机核心铸件的一种新型耐热钢,该钢执行标准EN 10213:2007《承压铸钢件技术条件》,与标准GB/T 16253—2019《承压钢铸件》中的ZG23Cr12MoV钢相当。目前,该耐热钢铸件采用的热处理工艺为1050 ℃×4 h油冷淬火+740 ℃×6 h炉冷回火,尽管该工艺下获得的力学性能可满足燃气轮机铸件的使用要求,但在塑性指标上并不富余[14-15]。而且有关该钢的相关热处理工艺与组织性能的研究报道较少。因此本文开展二次回火工艺对GX23CrMoV12-1耐热钢组织与力学性能影响的研究,探究钢的微观组织、强度、塑性和韧性与二次回火温度之间的关系。

1 试验材料与方法

试验材料为二重(德阳)重型装备有限公司提供的某燃气轮机铸件用GX23CrMoV12-1耐热钢,一次回火态下材料的抗拉强度和屈服强度分别为793和596 MPa,延伸率为18.3%,冲击吸收能为46 J,化学成分见表1,微观组织如图1所示。

(a) OM;(b) SEM

表1 GX23CrMoV12-1耐热钢的化学成分(质量分数,%)

采用自制的高温热膨胀系数测试实验装置测试材料从室温至1150 ℃的线膨胀量,结果如图2所示。在824 ℃时材料的线膨胀量出现逆势下降,说明该温度附近有相变发生,二次回火温度需低于此温度。本试验二次回火温度分别设置为710、720、730和740 ℃,保温6 h,冷却方式为空冷。二次回火后将材料加工成φ10 mm×12 mm的金相试样;按标准GB/T 229—2020《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》加工成55 mm×10 mm×10 mm的夏比V型缺口冲击试样;按标准GB/T 228.1—2021《金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》加工成宽度为10 mm及厚度为2 mm的短比例片状拉伸试样。

图2 GX23CrMoV12-1耐热钢在不同温度下的线膨胀量Fig.2 Linear expansion of GX23CrMoV12-1 heat-resistant steel at different temperature

采用德国蔡司OLYMPUS GX51型倒置式金相显微镜观察材料的显微组织,采用日本电子JSM-IT500HR型扫描电子显微镜观察材料的微观组织结构,并利用电镜附带的OxFord能谱仪检测微区组织的化学成分。采用德国布鲁克D8 ADVANCE型X射线衍射仪分析材料的物相组成,靶材为Cu 靶,X射线波长为0.15406 nm,工作电流和电压分别为40 mA和40 kV,扫描速度2°/min,2θ范围为30°～100°。采用RGM-4300电子万能试验机测试材料的强度和塑性,采用HR-150A型洛氏硬度计检测材料的硬度,采用JBW-300B型冲击试验机测试材料的冲击吸收能,力学性能指标均测量3次取平均值。

2 结果与讨论

2.1 组织分析

图3为GX23CrMoV12-1耐热钢经二次回火处理后的显微组织。从图3可知,不同二次回火温度下材料的组织与一次回火后的组织相同,均为细小的板条马氏体,二次回火温度对显微组织无明显影响。

(a) 710 ℃; (b) 720 ℃; (c) 730 ℃; (d) 740 ℃

图4是GX23CrMoV12-1耐热钢分别在720 ℃和740 ℃温度条件下二次回火处理后的微观组织形貌。从图4可知,马氏体板条界、原奥氏体晶界处以及马氏体板条内均分布大量的点状析出物。相比而言,原奥氏体晶界处的析出相连续分布呈链状,且尺寸较大;马氏体板条界面位置的析出相尺寸次之,马氏体板条内的析出相尺寸最小。通过EDS能谱检测不同位置析出物和马氏体板条组织的成分如表2所示。可以发现析出物的主要组成元素为C和Cr,另还有少量V和Mo,说明这些析出相主要是碳化铬及少量碳化钒和碳化钼。A. Fedoseeva等人[16]的研究结果表明,面心立方结构的MC(M为V、Ta、Nb)相主要在马氏体板条内析出,尺寸较小;复杂立方结构的M23C6(M为Cr、Fe、W)相主要在原奥氏体晶界和马氏体板条界面位置析出,尺寸较大,尤其是原奥氏体晶界处的析出相尺寸最大,这与本试验结果相一致。相较于740 ℃二次回火,720 ℃二次回火处理后耐热钢组织中存在较多的大尺寸的析出相。图5为GX23CrMoV12-1耐热钢在720 ℃和740 ℃温度条件下二次回火处理后的XRD衍射图。从图5可知,二次回火处理后GX23CrMoV12-1耐热钢的衍射图谱中只有α′相,未检测到Cr23C6、Fe23C6、VC和Mo2C等碳化物析出相,这应该是析出相的体积质量分数太低所致。

(a) 720 ℃; (b) 740 ℃

图5 不同二次回火温度下GX23CrMoV12-1耐热钢的X射线衍射图谱Fig.5 XRD patterns of GX23CrMoV12-1 heat-resistant steel at different secondary tempering temperatures

2.2 强度和塑性

图6为GX23CrMoV12-1耐热钢经二次回火处理后的强度和延伸率。从图6可知,与一次回火后的抗拉强度值相比,二次回火后材料的抗拉强度大幅降低。随着二次回火温度的升高,抗拉强度呈缓慢下降趋势。在710 ℃温度条件下二次回火后材料的抗拉强度达到最大,为684 MPa。其屈服强度随着二次回火温度的升高呈先增大再降低的变化规律,730 ℃二次回火后的屈服强度最大,为415.1 MPa。与一次回火后材料的延伸率相比,二次回火后材料的延伸率并未出现增加,反而有所降低。在720 ℃温度条件下出现了最低的延伸率,这可能与组织中存在较多的大尺寸的析出相有关。耐热钢的延伸率随二次回火温度的升高呈增加的趋势,在740 ℃温度条件下延伸率最大,达到18.5%,说明在该温度条件下二次回火后材料塑性最好。

图6 二次回火处理后GX23CrMoV12-1耐热钢的强度和延伸率Fig.6 Strength and elongation rate of GX23CrMoV12-1 heat-resistant steel after secondary tempering treatment

2.3 硬度和韧性

图7为GX23CrMoV12-1耐热钢经二次回火处理后的硬度和冲击吸收能。与一次回火后的硬度值相比,二次回火后材料的硬度明显降低。随着二次回火温度的升高,硬度总体呈降低趋势,尤其是在二次回火温度升高至740 ℃时,材料的硬度大幅降低。二次回火后材料的冲击吸收能较一次回火状态材料的冲击吸收能有大幅提高。其冲击吸收能随二次回火温度的升高呈先降低后增大的趋势,720 ℃温度条件下材料的冲击韧性最低,冲击吸收能为66 J;740 ℃温度条件下材料的冲击韧性最大,其冲击吸收能为71.8 J。GX23CrMoV12-1耐热钢韧性的增加与马氏体的回复和析出相的形态有关。二次回火后,由于马氏体的回复大角度平均晶界密度增大,裂纹扩展功增加[17-18];同时碳化物析出相的粗化和球化能够降低裂纹的萌生和扩展,因而韧性增加[19]。

图7 二次回火处理后GX23CrMoV12-1耐热钢的硬度和冲击吸收能Fig.7 Hardness and impact absorption energy of GX23CrMoV12-1 heat-resistant steel after secondary tempering treatment

3 结论

1)二次回火后GX23CrMoV12-1耐热钢的组织仍为细小板条马氏体,原奥氏体晶界、马氏体板条界和板条内分布大量的第二相析出物。在720 ℃温度条件下二次回火处理后,GX23CrMoV12-1耐热钢的原奥氏体晶界和晶内出现了较多的粗大析出相。

2)相比一次回火,二次回火后GX23CrMoV12-1耐热钢的强度和硬度均大幅降低,延伸率也降低。随着二次回火温度从710 ℃升高至740 ℃,材料的抗拉强度和屈服强度呈缓慢下降趋势,延伸率呈增大趋势。

3)二次回火后GX23CrMoV12-1耐热钢的冲击韧性较一次回火状态有显著提升。在740 ℃温度条件下二次回火后材料的冲击吸收能高达71.8 J,较一次回火态提高56%。