發展清潔煤發電技術可以緩解全球能源緊張、減少環境污染,在眾多的清潔煤發電技術中,較現實可行的途徑是發展超超臨界燃煤發電技術。提高鍋爐蒸汽的壓力和溫度,可以提高超超臨界機組的熱效率,大幅降低煤耗和排放量[1-3]。近些年,我國致力發展超超臨界燃煤發電技術,機組高溫部件材料普遍為TP347HFG、Super304H、TP310HCbN等耐熱鋼,其中TP347HFG耐熱鋼是在TP347H鋼的基礎上,通過特殊高溫處理,即在最后一道拔管之前將管子進行一次溫度高于最終固溶處理溫度的軟化退火,在高溫軟化過程中析出大量NbC質點,阻礙最終固溶處理時奧氏體晶粒的長大,使晶粒細化達到8級以上[4-8]。與TP347H鋼相比,TP347HFG鋼的晶粒較細,有利于加快Cr的擴散遷移速率,與蒸汽中的氧形成致密富Cr的Cr2O3層,從而阻止高溫蒸 汽對管子內壁的進一步氧化,具有良好的抗蒸汽氧化性能[9-16]。在溫度為600~750 ℃時,TP347HFG鋼的許用應力大于比TP347H鋼的許用應力,差值大于20%,斷裂塑性也優于TP347H鋼。因此,TP347HFG鋼在超超臨界機組鍋爐過熱器和再熱器上得到了廣泛的應用。 

筆者采用透射電鏡（TEM）和掃描電鏡（SEM）研究TP347HFG鋼在高溫應力作用下的析出相,為應用該型耐熱鋼的超（超）臨界機組的金屬監督及運行維護提供數據支持。 

1.   試驗方法

根據GB/T 2039－1997《金屬拉伸蠕變及持久試驗方法》,將規格為45 mm×8.5 mm（外徑×壁厚）的國產供貨態TP347HFG鋼管制成持久試樣,在高溫蠕變試驗機上進行溫度為620 ℃的不同應力水平的持久強度試驗,控溫精度和溫度梯度均不大于±3 ℃,試驗機的載荷精度為±1.0%。供貨態TP347HFG鋼管試樣的化學成分如表1所示,其持久試驗條件如表2所示。借助掃描電子顯微鏡和透射電鏡觀察供貨態和持久斷裂試樣的組織結構,用X射線能譜儀對試樣進行成分分析,用維氏硬度計測試試樣的硬度,試驗載荷為10 kgf（1 kgf=9.8 N）。 

2.   試驗結果

不同條件下TP347HFG鋼持久斷裂試樣的SEM形貌如圖1所示。由圖1可知：供貨態的組織為奧氏體,組織中存在大量孿晶；棒狀顆粒彌散分布于組織中,在晶界和孿晶界處無聚集現象,顆粒尺寸為1.5~6.5 µm[見圖1（a）]；棒狀顆粒是在冶煉過程中形成的一次碳化物；與供貨態試樣相比,持久斷裂試樣的一次碳化物在晶內、晶界分布[見圖1（b）]；在應力的作用下,一次碳化物剝落,隨著試驗時間的延長,一次碳化物剝落數量增多,形成裂紋[見圖1（d）]。 

圖  1  不同條件下TP347HFG鋼持久斷裂試樣的SEM形貌

620 ℃,300 MPa,118.01 h試驗條件下持久斷裂試樣的TEM（BF）圖像及電子衍射花樣如圖2所示。圖2（a）為晶內面心立方結構的NbC,顆粒粗大,尺寸約為5 µm,為一次碳化物；圖2（b）為小基體晶粒內分布細小的析出相顆粒,尺寸為20~80 nm；圖2（c）為晶界兩側分布位錯,電子衍射花樣只有一套,為面心立方結構,表明晶界無析出物。 

圖  2  620 ℃,300 MPa,118.01 h試驗條件下持久斷裂試樣的TEM（BF）圖像及電子衍射花樣

620 ℃,250 MPa,1 256.25 h試驗條件下持久斷裂試樣的TEM圖像如圖3所示。圖3（a）為晶內彌散分布的粒狀M23C6,尺寸為80~140 nm；圖3（b）為晶界不連續分布的M23C6及晶內位錯。 

圖  3  620 ℃,250 MPa,1 256.25 h試驗條件下持久斷裂試樣的TEM圖像

620 ℃,160 MPa,11 640.10 h試驗條件下持久斷裂試樣的TEM（BF）圖像如圖4所示。圖4（a）為晶內棒狀NbC顆粒,長度約為110 nm,同時還觀察到粒狀M23C6顆粒,尺寸為80~100 nm；圖4（b）為晶內粒狀M23C6與位錯纏繞,尺寸為50~130 nm；圖4（c）為晶界及其附近區域M23C6碳化物顆粒,尺寸為100~160 nm,不連續分布。對比短時間試驗試樣,可見隨著試驗時間的延長,M23C6數量明顯增多。 

圖  4  620 ℃,160 MPa,11 640.10 h試驗條件下持久斷裂試樣的TEM（BF）圖像及電子衍射花樣

持久斷裂試樣的維氏硬度變化曲線如圖5所示。短時間斷裂試樣的斷裂面硬度高于其他部位,如620 ℃,300 MPa,118.01 h條件下持久斷裂試樣的斷裂面硬度為298 HV10,隨著測試點與斷裂面距離的增大,硬度呈降低趨勢。說明在短時間斷裂條件下,試樣的塑性好、頸縮效應明顯、斷裂面變形量很大,導致其斷裂時產生了形變硬化。長時間高溫應力條件下,材料的塑性降低,斷裂變形量減小,形變硬化效果減弱,導致斷裂面硬度降低,如在620 ℃,160 MPa,11 640.10 h條件下,持久斷裂試樣的斷裂面硬度為176 HV10,距斷裂面3~19 mm處的硬度為188~198 HV10,斷裂面硬度明顯低于其他部位。由圖5可知：長時斷裂試樣各個硬度點的數值均明顯低于短時斷裂試樣,這是由于長時試驗后大量一次碳化物在晶界及其附近聚集,在應力作用下形成孔洞。 

圖  5  持久斷裂試樣的維氏硬度變化曲線

3.   結論

（1） TP347HFG鋼持久試樣的晶界析出物為M23C6,晶內析出物為NbC和M23C6。 

（2）晶內及晶界析出的M23C6晶格常數為基體的3倍,隨著試驗時間的延長,M23C6數量增多。 

（3）持久試樣中彌散分布的M23C6和NbC導致材料發生析出強化,提高了硬度；但隨著試驗時間的延長,持久斷裂試樣的硬度降低,老化明顯。 

文章來源——材料與測試網