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钨和硼元素对G115新型马氏体耐热钢组织与性能的影响

刘震  
【摘要】:在节能减排和降低能耗的背景下,我国已建设超百台超超临界火电机组,其中一次再热蒸汽温度为600℃的机组占全世界同类机组的90%以上。为进一步提高机组热效率,降低能耗,国家能源局批复了我国(也是世界)首台630℃超超临界燃煤火电机组示范项目,该项目锅炉集箱和主蒸汽管道等高温部件唯一可选材料是G115(?)马氏体耐热钢。相比现有9~12%Cr马氏体钢,G115钢通过添加3.0 wt.%的固溶型元素W和140 ppm的间隙固溶元素B获得了蠕变强度的较大提升。然而,关于W和B元素对G115钢组织与性能的具体影响尚不清楚,阻碍了该材料强化机制的揭示与性能的进一步提升。为进一步丰富G115钢理论体系,仍需开展W和B元素对G115钢组织与性能的影响研究。本论文以G115马氏体耐热钢为研究对象,着重调整G115钢中Laves相主要组成元素W的含量,以及调整影响高温热塑性和碳化物粗化速率的B元素含量。通过对三种不同W和B含量的G115钢开展系统研究,得出W和B元素对G115钢组织与性能的影响规律,为工程上制造不同类型G115钢产品提供一定的理论指导。通过对不同W含量的G115钢在650℃时效试验研究,结果表明:适当降低钢中W含量可降低Laves相颗粒和马氏体板条的粗化速率。通过热处理实验(650℃C/10000h+830℃/2h),验证了 Laves相颗粒在短期时效过程中的析出和粗化是导致材料韧性快速降低的主要原因;对不同W含量的G115钢在650℃/120 MPa下的蠕变试验表明,位于大角晶界处的Laves相颗粒是诱发G115钢蠕变孔洞产生的主要因素,Laves相颗粒在大角晶界的占比可以作为G115钢蠕变失效的重要检测因子。通过对不同W含量G115钢时效和在不同应力载荷下蠕变试验研究,结果表明:析出相颗粒(M23C6,Laves相和MX)在维持材料微观结构的稳定性方面起到重要作用,它们主要通过钉扎位错和板条边界起强化作用。随着时效和蠕变时间的延长,析出相颗粒逐渐粗化,其产生的钉扎力逐渐降低,当钉扎力降低到0.64~0.68 MPa以下时,钢中束状的马氏体板条结构将向多边形的亚晶结构转变。通过对不同B含量的G115钢在650℃时效试验研究,结果表明:适当增加钢中B含量会导致B原子进入M23C6碳化物中替代部分C原子,降低M23C6碳化物和马氏体板条的粗化速率。通过对不同B含量G115钢高温热塑性试验研究,结果表明:在高温(1150~1200℃)、高应变速率下热变形过程中,B含量高的G115钢中,B原子易出现沿晶界的非平衡偏聚,B原子的非平衡偏聚是造成材料塑性下降的主要原因。


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