鐵素體系耐熱鋼中合金元素作用及將來發展方向

鐵素體系耐熱鋼中主要合金元素有Cr、Mo、W、Co、V、Nb、Ni、B等，耐熱鋼研究早期，主要是添加Mo和Nb，Mo能起到改善回火穩定性、增強二次硬化效應和在晶界偏聚提高晶界結合力的作用，從而在鋼的強度增加的同時，韌性不降低。而Nb與C形成NbC，形成第二相強化。隨后耐熱鋼得到了大規模的研究與應用階段，這一階段主要是C、N、V元素的優化；現在所用的耐熱鋼主要是以W取代部分Mo，提高材料的蠕變強度，并加入B強化晶界，并制備出大批綜合性能良好的耐熱鋼。將來耐熱鋼發展的方向主要是進一步增加W含量，添加Co含量。Co的作用機制和影響將是耐熱鋼下一階段進行研究的熱點。Co能有效地提高耐熱鋼的強化作用，抑制鐵素體形成，而且Co是已知唯一提高鋼的居里溫度的元素，高的居里溫度有利于鋼保持其自身的鐵磁性，從而保持鋼的擴散能壘，降低鋼中溶質的擴散能力，穩定碳化物。Co元素的作用是目前耐熱鋼研究的熱點之一。

 T/P92耐熱鋼是日本開發的一種新型耐熱鋼，它的出現得益于T/P91鋼的成功。它是以T/P91鋼為基礎，加入1.5-2.5%W，鉬含量則降為0.3-0.6%，形成以鎢為主的鎢鉬復合強化。綜合性能可媲美于T91鋼，且許用溫度更高，最高可達630℃，蠕變強度達到了奧氏體不銹鋼的水平。P92耐熱鋼屬于電廠管道用鋼,在高溫高壓下使用，主要失效形式為蠕變斷裂。蠕變孔洞一般在晶界產生，導致P92耐熱鋼管道的斷裂。蠕變孔洞的形成與鋼組織結構的變化密切相關。高溫蠕變過程中組織結構會發生變化,主要為馬氏體板條寬度變大,位錯密度降低,析出物長大，同時會析出新的Laves相和Z相。由此可見，組織的穩定對P92耐熱鋼的性能有很大的影響。超超臨界發電機組的下一個目標是使主蒸汽溫度提高到650℃。盡管已有關于P92耐熱鋼顯微組織演化方面的研究報道，但主要集中在600℃溫度范圍。為更好地理解和使用P92耐熱鋼，本文研究了其在650℃長期時效過程中顯微組織演化規律。

 一、試驗過程

 試驗用P92耐熱鋼經1080℃×1小時正火+780℃×2小時回火處理后在650oC進行時效處理。采用帶能譜分析的FEISirion200掃描電子顯微鏡和透射電鏡觀察顯微組織，采用電解萃取方法分離合金中的析出相，利用X射線衍射方法進行物相分析，利用電子背散射方法研究組織取向關系。

 二、耐熱鋼力學性能研究

 P92耐熱鋼在650oC條件下時效不同時間后的維氏硬度如圖所示，從時效開始后硬度增加，時效100小時硬度最大，從100到500小時期間硬度迅速降低，其后硬度下降趨勢變緩。在時效過程中，Laves相的析出粗化及起固溶強化的元素W、Mo原子的減少是P92耐熱鋼硬度下降的主要原因之一。P92耐熱鋼在650oC長期時效過程中，M23C6型碳化物的晶格常數a隨時效時間的延長逐漸增大，時效7944小時后達到最大；Fe2W型Laves相沿原奧氏體晶界和板條界析出。利用EBSD研究方法可知，P92耐熱鋼顯微組織在時效3000小時后晶粒的取向差變化較小，小角度晶界比例稍有上升，大角度晶界比例基本不變，板條亞結構組織穩定性較好，時效前后均發現殘余奧氏體。綜合力學性能測試及組織觀察表明，時效過程力學性能變化的主要原因是Laves相的形成和粗化。