S30432成分和工藝對(duì)鋼性能的影響

S30432是目前世界上最先進(jìn)的超超臨界(USC)發(fā)電機(jī)組上使用的高等級(jí)耐熱鋼。

本文通過(guò)晶間腐蝕試驗(yàn)、金相試驗(yàn)、力學(xué)性能試驗(yàn)和熱模擬試驗(yàn)等方法以及XRD、SEM、TEM、HR-TEM等測(cè)試手段對(duì)S30432奧氏體耐熱鋼晶間腐蝕敏感性、不同熱處理狀態(tài)下的室溫性能、高溫性能、持久性能、高溫應(yīng)力狀態(tài)下組織演變、高溫強(qiáng)化機(jī)理以及熱變形行為進(jìn)行了詳盡的研究,對(duì)S30432鋼的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程具有推進(jìn)作用。 

研究結(jié)果表明,碳含量對(duì)S30432鋼晶間腐蝕敏感性的影響比鈮含量的影響更為顯著,當(dāng)鈮含量與碳含量的比值大于5.8時(shí),可以抑制晶間腐蝕的發(fā)生。隨固溶溫度升高,S30432鋼的晶間腐蝕敏感性逐漸下降,當(dāng)固溶溫度不低于1100℃、碳含量不高于0.083%時(shí),可以完全避免晶間腐蝕的發(fā)生。S30432鋼管固溶后要快速冷卻,要避免在840℃附近溫度區(qū)域停留,以防止由于M23C6碳化物析出量增加而增大晶間腐蝕敏感性。 

固溶處理溫度和時(shí)間對(duì)室溫強(qiáng)度影響明顯,如果固溶溫度超過(guò)1150℃室溫強(qiáng)度明顯下降。沖擊功隨時(shí)效時(shí)間增加明顯下降,但2000小時(shí)后趨于穩(wěn)定。碳含量對(duì)室溫強(qiáng)度影響明顯,鈮含量對(duì)室溫強(qiáng)度影響不明顯。 

S30432鋼650℃4小時(shí)時(shí)效后持久強(qiáng)度均高于在700℃4小時(shí)進(jìn)行時(shí)效處理。低碳中鈮試驗(yàn)鋼持久強(qiáng)度最高。元素Cu、Nb、C、N、和B的強(qiáng)化當(dāng)量系數(shù)分別為1、1、4、20、337。 MX相是S30432鋼中最主要的強(qiáng)化相,對(duì)維持高溫持久強(qiáng)度的貢獻(xiàn)最大。MX相尺寸約50nm~120nm,通過(guò)與位錯(cuò)的強(qiáng)烈相互作用使鋼的變形抗力增大。在650℃下同時(shí)效時(shí)間4小時(shí)相比,當(dāng)時(shí)效時(shí)間達(dá)到2000小時(shí)時(shí),MX相中的鈮和氮的含量?jī)H增加了5.50%和2.72%,這種緩慢變化有利于其強(qiáng)化效果的穩(wěn)定性。 細(xì)小的M23C6相在晶界、晶內(nèi)彌散分布,起到重要強(qiáng)化作用,M23C6相的尺寸在0.3μm~0.8μm,大量分布在晶界上,在晶內(nèi)也有彌散分布。在650℃下同時(shí)效時(shí)間4小時(shí)相比,當(dāng)時(shí)效時(shí)間達(dá)到2000小時(shí)時(shí),M23C6相析出量增加16.74倍,其尺寸也明顯增大。少數(shù)大尺寸的M23C6相,不但對(duì)強(qiáng)化不起作用,甚至有危害作用。 

富銅相對(duì)S30432鋼的強(qiáng)化有重要貢獻(xiàn)。富銅相的尺寸在3nm~30nm,平均尺寸約10nm,彌散分布在晶內(nèi)和晶界,阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)使鋼得到強(qiáng)化,同時(shí)富銅相還存在于亞結(jié)構(gòu)和孿晶中阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),使鋼的強(qiáng)度得到提高。 通過(guò)對(duì)S30432鋼進(jìn)行熱模擬試驗(yàn),獲得了S30432鋼在各個(gè)應(yīng)變速率條件下不同變形溫度時(shí)的流變曲線。確定了在不同變形條件下的峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變。求得了在0.005s-1~5s-1及800℃~1200℃變形條件下S30432鋼的熱變形激活能為485 kJ/mol。建立了S30432鋼的熱變形方程和動(dòng)態(tài)組織狀態(tài)圖。確定了S30432鋼的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶臨界應(yīng)力與其Z參數(shù)間的關(guān)系。確定了S30432鋼動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸D與其Z參數(shù)和參數(shù)A間的定量關(guān)系。建立了S30432鋼的熱加工圖和熱拉伸塑性圖并對(duì)其中典型的變形機(jī)制進(jìn)行了分析。