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多尺度碳氮化物强化马氏体耐热钢

张文凤  
【摘要】:本文以目前超(超)临界火电机组中实际使用的蠕变性能优异的耐热钢P91、P92钢以及未来核聚变反应堆用候选结构材料中国低活化马氏体耐热钢CLAM钢为研究对象,研究了几种常用高铬马氏体耐热钢的失效方式。并在P92钢基础上进行成分优化,以提高组织的高温稳定性,增强材料的热强性。同时结合弥散强化合金在不同条件下的不同蠕变机制,提出了多尺度碳氮化物强化马氏体耐热钢的概念,建立了热处理态及蠕变过程中的组织模型,并通过热变形及后续热处理的方法获得了多尺度碳氮化物强化马氏体耐热钢,蠕变性能优于P92钢。 首先,通过调整钢的化学成分,主要包括降C,以降低M23C6的含量,从动力学上降低其粗化速率;去B,以防止形成脆性BN成为裂纹源;去Mo,以避免形成粗化速率较高的Laves相。 然后通过调整钢的热变形参数,控制诱变铁素体的体积分数及分布进而控制诱变析出相的尺寸及分布。主要的实验结果是,通过精确定位各种软化机制的开始位置,如动态回复、动态再结晶、准动态再结晶、诱导相变、静态再结晶等,确定各软化机制的发生条件及各软化机制对组织演变的影响,进而调整变形参数以获得目标组织。研究结果显示,在低Zener-Hollomon(Z)条件下(高温低应变速率),动态再结晶及诱导相变的快速进行导致了近等轴晶组织的形成。随着Z值增加,动态再结晶及诱导相变的形核过程减慢,但诱导相变铁素体的长大速度较大,形成条状铁素体和马氏体组织。同时铁素体的长大消耗了大部分的储存能,使其成为维持良好加工性的主要因素。但当Z值继续增加时,动态再结晶和诱导铁素体晶粒的长大速率也大幅降低,但准动态再结晶发生,使动态再结晶晶粒快速长大,导致铁素体和马氏体混合晶组织的出现。 由于铁素体中的Cr、Nb、V等合金元素固溶量小于奥氏体中的含量,且合金元素在铁素体中的扩散系数高于在奥氏体,因而高温下诱变铁素体会更利于析出相的诱导析出及长大,铁素体的分布及形态决定着诱导析出相的分布。因此可以通过控制诱变铁素体的含量及分布来调整诱导析出相的分布及体积分数。而变形条件为1000-1100℃C温度区间及0.01-1/s应变速率时,诱变铁素体的形态为条状,与马氏体相间分布,且诱导铁素体的体积分数约占50%,为最有利于析出相析出及均匀分布的变形条件。 在随后的变形后的弛豫实验中,确定了析出相开始析出位置为弛豫曲线中的应力突增位置。实验结果发现,在不同变形条件及弛豫温度下,诱导析出相的析出行为不同,例如在连续变形后的弛豫过程中,Nb(C,N)析出相在940℃C变形并弛豫时大量析出;在变温连续变形后的弛豫过程中,M23C6在800℃C变形并弛豫时大量析出;在变温非连续变形后的弛豫过程中,除了上述两种析出相外,在750℃C变形并弛豫时,(Nb,V)(C,N)大量析出。而且变形量及初始变形温度也影响析出相的析出行为。前者通过影响位错密度,进而影响位错节数量,即析出相的形核位置,最终影响析出相的析出行为;后者通过影响该温度下的组织形态,尤其是诱变铁素体分布及含量,最终影响析出相的分布及数量。而析出相的尺寸是弛豫温度和弛豫时间的函数,在高温时,合金元素扩散速率较大,有利于析出相的析出;时间延长,析出相的扩散距离增大,有利于析出相的长大。对于在940℃C鼻尖温度析出的Nb(C,N)粒子,其弛豫1000s时,析出相的尺寸最大在120nm左右;在800℃C鼻尖温度析出的M23C6粒子,弛豫1000s时,尺寸最大在230nm左右;在750℃C鼻尖温度析出的(Nb,V)(C,N),弛豫1000s时,尺寸最大在30nm左右。 最后通过控制后续热处理工艺参数,实现多尺度但碳化物强化马氏体耐热钢的制备。其中,后续热处理主要涉及奥氏体化及回火过程,热变形后的试样经奥氏体化后,初始的诱变铁素体+马氏体双相组织均转变为奥氏体,并在空冷后切变为单一马氏体组织。随保温时间的延长,晶粒的均匀性提高。变形过程中诱变析出的碳氮化钒、M23C6在奥氏体化过程中全部重新溶入基体,而Nb(C,N)则由于在奥氏体中的固溶度积小而溶解的较少。回火过程中,合金元素在未溶的析出相与奥氏体界面上偏聚,导致非均质形核,形成较大尺寸(200nm)的析出相,稳定了晶界及亚晶界。同时,位错节上形成弥散细小(20nm)的析出相,钉扎位错。最终获得稳定性较高,符合设计的组织模型:多尺度碳氮化物强化的单一马氏体组织。 研发成功的多尺度碳氮强化马氏体耐热钢在600℃C时效时表现出优良的组织稳定性,在650℃C时效时,组织发生再结晶,稳定性急剧降低,但再结晶发生开始时间由单尺度析出相强化时的500h延长至3000h。通过组织观察发现,650℃C时效时发生再结晶的原因与晶界上200nm左右析出相的重溶有关。新钢种在600℃C蠕变时,随应力的增加,位错密度增加,组织得到细化。其在600℃C的持久性能优于P92钢,且随应力的增加,其持久性能的优越性更加突出,到210MPa时是P92的2倍以上。 尽管调控后的组织初步达到设计的目标,但200nm左右的析出相分布不均匀,且蠕变/时效过程中析出的Laves相易于连成条状,失去了阻碍晶界运动作用的同时,成为裂纹的萌生的优选位置。后续研究应该重点放在200nmm析出相的分布及Laves相的长大方式等方向上。


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