分享：高溫服役HR3C耐熱鋼的顯微組織變化

HR3C奧氏體耐熱鋼具有優(yōu)異的抗高溫蠕變性、抗高溫氧化性和抗煙氣腐蝕性，被廣泛應(yīng)用于火電機(jī)組的過熱器和再熱器中，由于其合金元素含量高于傳統(tǒng)的18Cr-8Ni系列不銹鋼，故高溫服役過程中該鋼組織的演變也有明顯不同。 

目前已有不少國內(nèi)外學(xué)者對(duì)HR3C耐熱鋼高溫服役后的顯微組織演變進(jìn)行了研究，得到HR3C耐熱鋼管內(nèi)的第二相主要是M23C6、NbCrN和Nb(C,N)相3種，以及少量的MX相、σ相和M6C相[1-3]，而HR3C鋼是通過彌散析出的第二相產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化，從而獲得了優(yōu)異的高溫力學(xué)性能，但隨著高溫服役過程中組織的進(jìn)一步演變，材料會(huì)出現(xiàn)晶界脆化傾向[4-6]。已有研究[7-10]表明，奧氏體耐熱鋼的蠕變破壞源于晶界,因此研究晶界的演變過程對(duì)分析HR3C鋼的使用性能尤其重要。 

此外，也有學(xué)者研究了不同服役時(shí)間和溫度下HR3C鋼的顯微組織、力學(xué)性能的變化[11]，但少有對(duì)顯微組織的定量分析，以及顯微組織與力學(xué)性能對(duì)應(yīng)關(guān)系的研究，且少有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、文章對(duì)HR3C鋼組織的老化程度進(jìn)行評(píng)判分級(jí)。 

筆者主要對(duì)某機(jī)組同批次的HR3C高溫過熱器鋼管的顯微組織和力學(xué)性能進(jìn)行研究，初步建立起該鋼顯微組織和力學(xué)性能的關(guān)系，并討論不同老化程度時(shí)其顯微組織和力學(xué)性能特征，結(jié)果可為HR3C鋼的實(shí)際應(yīng)用提供借鑒。 

1.   試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

某已運(yùn)行超過12萬h超超臨界鍋爐的過熱蒸汽出口溫度為605 ℃，蒸汽壓力為26.15 MPa，在高溫過熱器同一管屏上取樣，編號(hào)分別為2~6號(hào)，根據(jù)煙氣走向及管內(nèi)介質(zhì)流向，2~6號(hào)試樣的實(shí)際服役溫度依次升高。另取1根同批次但未經(jīng)投運(yùn)使用的新管，編號(hào)為1號(hào)試樣，對(duì)6根試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)、力學(xué)性能測(cè)試、掃描電鏡（SEM）及能譜分析，測(cè)試分析不同服役條件下6根試樣的顯微組織和性能。 

由于受熱面管存在迎煙側(cè)與背煙側(cè)，不同位置的顯微組織有較大差異，故在管子的同側(cè)截取金相試樣與力學(xué)性能試樣，從而保證材料的顯微組織與力學(xué)性能一一對(duì)應(yīng)。 

2.   試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1   金相檢驗(yàn)

使用線切割機(jī)在所選取試樣上截取橫截面金相試樣，試樣經(jīng)鑲嵌、打磨、機(jī)械拋光后，再使用王水對(duì)試樣進(jìn)行腐蝕。 

圖1為6根試樣的顯微組織形貌。由圖1可知：1號(hào)試樣為未經(jīng)投運(yùn)使用的新管，孿晶界比晶界更加清晰，視野內(nèi)不規(guī)則分布著少量第二相；2號(hào)和3號(hào)試樣顯微組織接近，晶界清晰呈粗線狀，孿晶界不再清晰可見，其中3號(hào)試樣比2號(hào)試樣晶內(nèi)彌散分布著更多細(xì)小的第二相；4號(hào)試樣晶界第二相粗化、合并，使得晶界呈條狀，晶內(nèi)有較多的顆粒狀和針狀第二相；5號(hào)和6號(hào)試樣比4號(hào)試樣的晶界粗化更為嚴(yán)重，晶內(nèi)第二相數(shù)量、尺寸增大得更為明顯，基體內(nèi)密集分布著顆粒狀和針狀的第二相，晶界部分第二相在制樣過程中脫落，形成黑色的坑洞，其中6號(hào)試樣晶內(nèi)遍布著顆粒狀和針狀第二相，使得晶界不再清晰可見。參考DL/T 1422—2015 《18Cr-8Ni系列奧氏體不銹鋼鍋爐管顯微組織老化評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》中18Cr-8Ni系列不銹鋼組織老化特征，得到1~6號(hào)試樣的顯微組織老化程度依次加重。 

圖  1  HR3C鋼試樣的顯微組織形貌

2.2   室溫力學(xué)性能測(cè)試

對(duì)選取的6根試樣進(jìn)行室溫力學(xué)性能測(cè)試，其抗拉強(qiáng)度及斷后伸長率如圖2所示。由圖2可知：6根試樣的抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率均與組織的老化程度呈負(fù)相關(guān)，即組織的老化程度越高，抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率越低。 

圖  2  HR3C鋼試樣的室溫力學(xué)性能

1號(hào)試樣的抗拉強(qiáng)度為878 MPa，斷后伸長率為44%，均為6根試樣的最高值。服役時(shí)間超過12萬h試樣的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率則因?qū)嶋H服役環(huán)境而存在較大區(qū)別，其中6號(hào)試樣的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率最低，分別為558 MPa和2.5%。根據(jù)ASME SA-213/SA-213M 《鍋爐、過熱器和換熱器用鐵素體和奧氏體合金鋼無縫鋼管規(guī)范》及GB/T 5310—2023《高壓鍋爐用無縫鋼管》的要求，材料為HR3C鋼的高壓鍋爐用無縫鋼管抗拉強(qiáng)度應(yīng)不低于655 MPa，斷后伸長率應(yīng)不低于30%，故5號(hào)和6號(hào)試樣的抗拉強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)要求，2~6號(hào)試樣的斷后伸長率均低于標(biāo)準(zhǔn)要求。 

2.3   掃描電鏡分析

為了研究HR3C鋼管高溫服役狀態(tài)下顯微組織的變化，使用掃描電鏡觀察各試樣，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：晶界在掃描電鏡的Mix模式下更清晰，且晶界第二相的析出、長大和合并使得晶界寬度明顯增大，可以進(jìn)行定量分析。晶內(nèi)第二相的尺寸小、形狀多樣、分布不均，且存在第二相脫落的情況，難以對(duì)其進(jìn)行定量分析。 

圖  3  HR3C鋼試樣的SEM形貌

對(duì)晶界寬度進(jìn)行定量時(shí)，使用掃描電鏡對(duì)每根試樣的1/2壁厚處進(jìn)行觀察，選取組織均勻的視場(chǎng)進(jìn)行拍照，并在每張電鏡照片中測(cè)量5處晶界寬度，所選晶界應(yīng)為視野中最寬的晶界或亞晶界，只對(duì)相鄰晶粒形成的晶界進(jìn)行1次測(cè)量，從而計(jì)算各試樣晶界的平均寬度。 

部分用于測(cè)量晶界寬度的HR3C鋼試樣SEM形貌如圖4所示，測(cè)量結(jié)果如圖5所示。1號(hào)試樣的晶界寬度太小，故未對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。由圖4可知：2號(hào)和3號(hào)試樣的晶界呈粗線狀，是由顆粒狀第二相相連構(gòu)成的，各處晶界寬度相近，主要為0.8~1.2 μm；4號(hào)試樣的晶界呈粗虛線狀，由粗化成顆粒狀和短棒狀的第二相相連構(gòu)成，寬度約為1.4 μm；5號(hào)和6號(hào)試樣的晶界呈斷續(xù)條帶狀，由粗大第二相合并后形成，寬度有明顯增大，分別約為1.7 μm和2.3 μm，其中6號(hào)試樣晶界寬度非常不均勻，晶界寬度普遍超過1.8 μm，部分區(qū)域出現(xiàn)超寬的晶界或亞晶界，局部區(qū)域?qū)挾瓤蛇_(dá)4 μm；5號(hào)和6號(hào)試樣的晶界（主要是三晶交界處）開始出現(xiàn)大尺寸第二相，且部分大尺寸第二相在制樣過程中脫落。 

圖  4  部分用于測(cè)量晶界寬度的HR3C鋼試樣SEM形貌

圖  5  HR3C鋼試樣晶界寬度測(cè)量結(jié)果

晶內(nèi)第二相雖然難以進(jìn)行定量，但根據(jù)試樣的SEM形貌，可大致將晶內(nèi)第二相的析出情況分成4類。第一類（1號(hào)試樣）晶內(nèi)只分布著零星的大尺寸第二相；第二類（2，3號(hào)試樣）晶內(nèi)有少量的細(xì)小顆粒狀或針狀第二相；第三類（4號(hào)試樣）晶內(nèi)第二相開始粗化，部分第二相與晶界第二相尺寸相近，且局部有顆粒狀、針狀和短棒狀第二相密集析出；第四類（5，6號(hào)試樣）晶內(nèi)遍布密集析出的顆粒狀、不規(guī)則狀、針狀、短棒狀的第二相。 

2.4   能譜分析

為確定HR3C鋼在高溫服役過程中析出第二相的種類，對(duì)6號(hào)試樣進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖6和表1所示。Nb(C，N)相主要是供貨態(tài)鋼管中原有的富Nb相，尺寸較大、形狀不規(guī)則、塑性較差，且與基體結(jié)合力較弱，但該相在服役過程中不會(huì)發(fā)生明顯變化。由圖6可知：譜圖1位置為晶內(nèi)大尺寸第二相，富含Nb、N元素，結(jié)合其形貌可知，該相應(yīng)為富Nb相；譜圖2位置為寬度明顯增大的晶界；譜圖3位置為晶內(nèi)小尺寸單顆粒第二相，譜圖2，3位置的第二相化學(xué)成分相同，主要成分為Fe、Cr、Ni元素，且含量相近，為同種第二相，結(jié)合其所處位置及形貌，可知該相為M23C6相；譜圖4位置即為σ相，該相位于三晶交界處，主要化學(xué)成分為Fe、Cr、Ni元素。表1已排除C元素后重新進(jìn)行歸一化處理。 

圖  6  6號(hào)試樣SEM形貌及能譜分析結(jié)果

M23C6相在晶界及晶內(nèi)均有析出，但多分布于晶界，尤其是大角晶界處，極易引起晶界的脆性，且隨著服役時(shí)間的延長，M23C6相快速長大，在晶界上形成鏈條狀或顆粒狀，晶內(nèi)的M23C6相粗化后形狀不規(guī)則；晶界上已經(jīng)析出的M23C6相會(huì)繼續(xù)向著晶內(nèi)生長而變大變厚。NbCrN相分布在晶界附近和基體中，主要分布在位錯(cuò)線上，呈觸須狀或短棒狀，不會(huì)因時(shí)效時(shí)間的延長而發(fā)生明顯粗化，但數(shù)量會(huì)大幅增多。5號(hào)和6號(hào)試樣晶內(nèi)密集析出的針狀、短棒狀的第二相均為NbCrN相。 

此外，在700 ℃和750 ℃長期時(shí)效過程中，HR3C鋼晶界會(huì)析出四方結(jié)構(gòu)的σ相[12]，且σ相會(huì)使奧氏體耐熱鋼的塑性明顯下降[13-14]。 

2.5   高溫力學(xué)性能測(cè)試

綜合考慮所選試樣的顯微組織與室溫力學(xué)性能，5號(hào)試樣晶界開始出現(xiàn)大尺寸第二相，晶內(nèi)第二相密集析出，且室溫抗拉強(qiáng)度及斷后伸長率均低于標(biāo)準(zhǔn)下限值（655 MPa），故只對(duì)5號(hào)試樣進(jìn)行高溫力學(xué)性能測(cè)試。 

在5號(hào)試樣上取樣，并對(duì)試樣進(jìn)行650 ℃短時(shí)拉伸試驗(yàn)，得到屈服強(qiáng)度為178 MPa，抗拉強(qiáng)度為381 MPa，斷后伸長率為13.3%，高溫規(guī)定延伸強(qiáng)度符合GB/T 5310—2023的要求。 

3.   結(jié)論

（1）未老化（初始態(tài)）狀態(tài)下材料的孿晶界比晶界更為明顯，除少量呈不規(guī)則形狀的大尺寸富Nb相外，幾乎觀察不到其他第二相，室溫抗拉強(qiáng)度不小于655 MPa，斷后伸長率不小于30%。 

（2）輕度老化狀態(tài)下材料的晶界呈粗線狀，寬度約為1 μm，晶內(nèi)彌散分布著少量細(xì)小的顆粒狀M23C6相和針狀NbCrN相，室溫抗拉強(qiáng)度不低于655 MPa，斷后伸長率約為20%。 

（3）中度老化狀態(tài)下材料的晶界呈粗虛線狀，寬度約為1.4 μm，晶內(nèi)顆粒狀M23C6相開始粗化，針狀NbCrN相開始大量析出，局部出現(xiàn)第二相密集析出區(qū)域，室溫抗拉強(qiáng)度依舊不低于655 MPa，但斷后伸長率約為15%。 

（4）重度老化狀態(tài)下材料的晶界寬度普遍超過1.6 μm，可能出現(xiàn)超寬的晶界或亞晶界，局部寬度可超過4 μm，部分三晶交界處存在大尺寸σ相，晶內(nèi)普遍分布著粗化呈球狀和保持顆粒狀的M23C6相，同時(shí)針狀NbCrN相也密集析出，室溫抗拉強(qiáng)度已低于655 MPa，斷后伸長率低于5%。

文章來源——材料與測(cè)試網(wǎng)