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形变及热处理对12Cr3W3Co马氏体耐热钢组织与性能影响的研究

李生志  
【摘要】:本文以未来可能被用于650 oC高温的12Cr3W3Co(SAVE12)马氏体耐热钢以及经不同形变热处理工艺处理后的SAVE12钢为研究对象,首先对SAVE12钢的1000小时短期蠕变性能和高温热处理对其含高温Delta铁素体组织调控的影响进行分析;然后以SAVE12钢为基础钢,进行不同工艺的形变热处理,利用650 oC和800oC大变形轧制分别制备出纳米级析出相强化钢和纳米级板条马氏体与析出相强化钢,进一步提高SAVE12钢的高温性能,探讨了变形量与回火温度对其组织与性能的影响,并采用了一种高温慢速率拉伸实验手段对不同工艺形变热处理后的SAVE12钢进行初步筛选,对筛选出性能较优的材料进行蠕变性能评估和微观组织演变研究。SAVE12钢的短期蠕变结果表明,其蠕变曲线具有典型的三段特征,其应力指数n值在11-14之间,对应的蠕变变形机制为位错攀移。在600-650 oC,100-210 MPa蠕变条件下,激活能数值在462.1 kJ/mol和818.2 kJ/mol之间,均高于Fe在?-Fe中自扩散的激活能(239 kJ/mol)。采用金相显微镜(OM)及场发射透射电子显微镜(FE-TEM)分析研究了原始SAVE12钢蠕变实验前后的组织演变,发现原始SAVE12马氏体耐热钢中含有约为13.2%的竹节状高温Delta铁素体,并在其与原奥氏体交界处发现大量形状不规则的Fe2W型Laves相,为含有高密度层错的hcp C14结构,其选区电子衍射花样有典型的条纹特征。在早期蠕变过程中,(Fe,Cr)2W型Laves相在高温Delta铁素体内优先形核析出。主要形成原因是高温Delta铁素体与马氏体的固溶度不同,能谱分析(EDS)测得高温Delta铁素体中W的含量几乎为马氏体基体含量的两倍。Laves相的析出与应力、温度有关,高应力(温度)下Laves相尺寸和数目高于低应力(温度),蠕变试样高于时效试样。SAVE12马氏体耐热钢的基体中含有一定量的高温Delta铁素体,形成原因受控于合金成分设计。在高温下退火处理,高温Delta铁素体发生了溶解现象,且温度越高溶解速度越快。利用热力学模拟计算软件JMatPro-7.0、Creq-Nieq当量经验公式以及‘TTT’等温转变曲线,分析讨论了高温Delta铁素体的产生原因和溶解机理。此外,根据JMatPro-7.0软件计算出的平衡相图,可以分析SAVE12钢的亚稳奥氏体温度区间和第二相析出温度,有助于轧制温度和回火温度的选取。650 oC同步轧制大变形处理后的SAVE12钢,基体组织主要为块状马氏体,并含有少量的板条状马氏体,板条宽度由原始样品中的几百纳米细化到100纳米以内。经650 oC回火处理后,在马氏体基体组织中形成细小弥散分布的纳米级M23C6型碳化物析出相,平均粒径为12.7纳米,为原始样品的1/16。析出相的粒径随着回火温度的升高呈现增长趋势,当回火温度达到765 oC时,平均粒径达到63.5纳米,仍低于原始样品的203纳米。形变热处理后SAVE12钢表现出优异的力学性能,尤其是93%大变形650 oC回火后的材料,室温屈服强度和抗拉强度分别为938 MPa和1046MPa,远高于原始SAVE12钢样品的552 MPa和736.1 MPa。从蠕变结果来看,经过形变热处理后的材料,在650 oC/180 MPa蠕变条件下,稳态蠕变速率降低了两个数量级,在650 oC/210 MPa蠕变条件下,蠕变断裂寿命增加了2倍。为了进一步细化材料的基体组织,制备纳米板条马氏体,实验中将同步大变形轧制温度提高到800 oC。利用亚稳态变形奥氏体在轧制过程中的回复与再结晶,获得了超细等轴奥氏体晶粒,随后通过水淬形成呈单向分布的纳米板条马氏体,再通过回火处理获得纳米级析出相。实验结果表明,经大变形轧制后,原奥氏体平均晶粒尺寸由原始SAVE12钢中的几十微米降低至1微米左右,形成等轴超细原奥氏体晶粒。水淬后,80%变形量的SAVE12钢马氏体宽度细化到100纳米以内,而93%变形量的材料则细化到20纳米以内,形成纳米级板条马氏体组织。650oC回火后,在马氏体板条界和块状基体内形成了高密度呈弥散分布且粒径只有几个纳米的M23C6碳化物析出相。93%变形650 oC回火后的材料展示出良好的力学性能,硬度为HV 401,远高于原始材料的HV 252,室温屈服强度和抗拉强度高于80%变形回火后材料,分别为1096 MPa和1213 MPa,相比原始材料,提升了98.6%和64.8%,在慢速率高温拉伸过程中显示出高的应变硬化和低的应变软化。在550-650 oC下的应力指数n值在13-18之间,略高于原始材料应力指数。表观激活能在397.9-592.8 kJ/mol之间,低于原始材料。用等温线法外推SAVE12钢原始材料和经93%大变形650 oC回火后材料,600°C 10万小时的蠕变断裂强度分别为120.52 MPa和124.97 MPa,650°C 10万小时的蠕变断裂强度分别为41.76MPa和45.53 MPa。


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