9Cr-2W耐热钢的微观组织及析出相的研究

高加强, 洪 杰, 肖新星, 刘俊亮, 王起江

(宝钢股份研究院,上海 201900)

节约能源和保护环境是目前世界各国普遍关注的问题,在火力发电站的设计过程中必须考虑降低燃料消耗和减少CO2排放,这就需要提高电站锅炉的蒸汽压力和工作温度,进而对耐热钢提出了更高要求.铁素体耐热钢相对于奥氏体耐热钢具有较高的热导率和较小的热膨胀系数,且耐热疲劳、工艺性能良好、性价比高,因而倍受人们青睐.

从传统的Cr-M o钢发展而来的9Cr-2W耐热钢是目前国际上使用温度较高的铁素体耐热钢之一,其典型成分是9Cr-1.8W-0.5Mo-VNb,可利用固溶强化、位错强化和析出相弥散强化等途径获得良好的抗高温蠕变性能[1-4].

在高温加载工作条件下,除了发生表层氧化腐蚀等损伤外,9Cr-2W耐热钢的组织演变(包括析出相的变化)对服役性能起着决定性的影响.该钢种的持久蠕变性能是国际上的研究热点之一[5-8],但国内对其的研究还很少.9Cr-2W耐热钢的析出相尺寸较小且弥散分布,对析出相进行深入研究非常重要.笔者利用光学显微镜、扫描电子显微镜和透射电子显微镜等仪器对国产9Cr-2W耐热钢的显微组织进行了分析,重点考察了正火、回火和高温持久等状态下的组织演变,研究9Cr-2W耐热钢的高温强化机理,为寿命评估和失效分析提供依据.

1 试验方法

9Cr-2W铁素体耐热钢试样的制备流程为:真空炉炼钢均匀化热处火(1 070℃×45 min)+回火(780℃×90 min)热处理.9Cr-2W耐热钢的主要化学成分为0.097C-0.29Si-0.42M n-9.15Cr-0.43M o-1.70W-0.18V-0.07Nb-0.004B-0.05N,其余为Fe,符合ASME SA-213标准中 T92钢的成分.按照GB/T 2039—1997标准制备持久试样,在650℃、110 MPa下进行持久试验,考察其抗蠕变性能.

制备9Cr-2W耐热钢正火、回火和高温持久等状态下的金相试样,用苦味酸溶液浸蚀后,采用LEICA DMRD正置式光学显微镜(OM)和JEOL JSM 6460扫描电子显微镜(SEM)分析 9Cr-2W耐热钢金相试样的显微组织.采用配备OXFORD-INCA能谱(EDS)分析附件的JEOL JEM 2100F透射电子显微镜(TEM),在200 kV下对9Cr-2W耐热钢萃取复型样和电解双喷制备的金属薄膜样的析出相进行形貌、结构及成分分析.

2 结果与讨论

2.1 9Cr-2W耐热钢正火态的组织结构

图1为9Cr-2W耐热钢正火态的显微组织,由图1可知其显微组织为马氏体,而从SEM分析结果可见马氏体板条内部有细小点状析出相.

图1 9C r-2W耐热钢正火态的显微组织Fig.1 Microstructure of normalized 9Cr-2W heat-resistant steel

对9Cr-2W耐热钢正火态萃取复型样进行分析,其TEM分析结果见图2.可见针状析出相为含有少量Cr元素的渗碳体,一般长约100 nm,宽度约10 nm;而球形或椭球形析出相为MX型析出相,主要成分为Nb以及少量的V元素,尺寸为几十到上百nm,在晶界和晶内随机分布,这是由于高温时Nb化物形成而V固溶在基体中,正火后形成不含或含少量V的NbX析出相.

图2 9C r-2W耐热钢正火态萃取复型样中的析出相Fig.2 Precipitates in extraction replica of normalized 9Cr-2W heat-resistant steel

2.2 9Cr-2W耐热钢回火态的组织结构

图3(a)为9Cr-2W耐热钢回火态的金相,可见其显微组织为回火马氏体,平均晶粒尺寸为15μm左右,从图3(a)中还可知原奥氏体被分为马氏体板条,并进一步分为小块.图3(b)为9Cr-2W 耐热钢回火态的SEM分析结果,可见析出相大多沿晶界分析,且相对晶粒内部,原奥氏体晶界上的析出相较大且较多.

9Cr-2W耐热钢回火态萃取复型样的TEM分析结果示于图4.从图4(a)可见,析出相大部分分布在原奥氏体晶界或马氏体板条界上且比较粗大,从图4(b)可见,析出相在晶内分布较少且较为细小.对图4(a)中的A处及图4(b)中的B处和C处进行选区电子衍射(SAD),结果分别示于图4(c)、图4(d)和图4(e)(电子束入射方向分别为[012]、[111]和[001]).由图4(c)～图4(e)可见,晶界上和晶内粗大的析出相(100～300 nm)为面心立方的M 23 C6型析出相,而晶内非常细小的析出相(50 nm以下)为面心立方的MX型析出相.

图3 9C r-2W耐热钢回火态的显微结构Fig.3 Microstructure of tempered 9Cr-2W heat-resistant steel

图4 9Cr-2W耐热钢回火态复型样的析出相Fig.4 Precipitates in extraction replica of tempered 9C r-2W heat-resistant steel

采用TEM的扫描模式对9Cr-2W耐热钢回火态金属薄膜样品中的析出相进行能谱分析,结果显示晶界上粒径较大的析出相含有Cr和Fe元素,对应于M23C6型析出相(图5中的A处);而晶内细小MX型析出相的主要成分为V和Nb(图5中的B处和C处),可将其表示为(V,Nb)(C,N).

由以上分析可知,相对于正火态试样,回火处理使得原来的渗碳体溶解,Cr与C结合形成含Cr及少量Fe元素的M23C6型析出相;而固溶的V元素也在回火时析出,部分VX在马氏体板条界上析出,还有部分V元素以原有的NbX析出相为核心形成MX复合析出.

2.3 9Cr-2W耐热钢持久断裂试样的组织结构

9Cr-2W 耐热钢经回火后,再在 650℃、110 MPa应力下进行持久试验,经2 521 h后试样断裂.持久断裂试样表面氧化严重,断口在标距内,断面与轴线垂直、凹凸不平且边缘多毛刺,试样头部夹持处、标距内和断口处的显微组织基本一致.图6给出了持久断裂试样标距内(均匀变形)的显微组织分析结果.由图6可知,持久断裂试样的显微组织均为回火马氏体,内有大量析出相.需要指出的是持久断裂试样不同位置处的金相略有差异,断口处晶粒明显拉长、多孔洞且析出相较大,说明变形会影响元素的迁移,导致析出相长大.

图5 9Cr-2W耐热钢回火态金属薄膜样的析出相分析(A、B、C为 EDS分析点)Fig.5 Precipitates in foil specimen of tempered 9C r-2W heat-resistant steel

持久断裂试样均匀变形区金属薄膜的TEM分析结果见图7.由图7可见,持久断裂试样金属薄膜的显微组织仍为回火马氏体,板条尺寸为0.5～1 μm,板条内分布有少量位错.相对于回火态试样,其马氏体板条略有拉长,位错密度略有降低.持久断裂试样中有大量析出相,主要出现在马氏体板条界和亚晶边界上,其中粗大析出相的尺寸约为200～400 nm,三叉晶界上的析出相尺寸更大,约为500 nm.在马氏体板条内也存有少量细小析出相.

由图7(a)中A处的SAD分析可知,尺寸为500 nm左右的析出相含有密排六方的Laves相(图7(b)),而尺寸为200 nm左右的析出相为面心立方的M 23 C6相.析出相在板条界和亚晶界分布较多,从而可以阻碍晶界移动,实现强化作用.从明场像中可见,细小MX型析出相附近有位错塞积,说明细小析出相可以阻碍位错移动,也可起到强化耐热钢基体的作用.

图6 9Cr-2W耐热钢650℃-110 MPa持久断裂试样的显微组织Fig.6 Microstructure of 9Cr-2W specimen after creep-rupture test at 650℃/110 MPa

图7 9C r-2W耐热钢650℃-110 MPa持久断裂试样金属薄膜的显微组织Fig.7 Precipitates in foil specimen of 9Cr-2W heat-resistant steel after creep-rupture test at 650℃/110 MPa

采用扫描透射模式对持久断裂试样金属薄膜的析出相进行微区成分分析,发现马氏体板条界上的粗大析出相富含Fe、W及Cr等元素,结合选区电子衍射分析结果可以确定此类析出相含有Laves相;而在晶界上尺寸为100～300 nm的析出相则为富含Cr和Fe元素的M 23 C6型析出相;分布于亚晶粒内、尺寸为50～100 nm的细小析出相为富含V和Nb等元素的MX型析出相.

对单独一个粗大析出相进行线扫描成分分析,结果示于图8.根据特征成分可知,该析出相是由150 nm的富含W的 Laves相、100 nm的富含Cr的M 23 C6型析出相和50 nm的富含V的析出相复合而成的.这说明9Cr-2W 耐热钢在650℃、110 MPa条件下持久2 500 h以上,晶界上出现了粗大(约500 nm)的析出相,它是由几个不同类型的析出相在时效或蠕变过程中组合形成的[9-10].由此可见,9Cr-2W耐热钢在持久过程中发生了合金元素的再分配,导致析出相长大并产生了新的析出相.粗大的析出相不再起强化作用,反而会引起微裂纹的产生和扩展,并最终导致耐热钢蠕变断裂[11].

图8 9Cr-2W耐热钢650℃-110 MPa持久断裂试样的析出相Fig.8 Precipitates in 9C r-2W heat-resistant steel after creep-rupture test at 650℃/110MPa

3 结 论

(1)9Cr-2W耐热钢正火态的显微组织为马氏体,而回火态和持久断裂试样的显微组织为具有板条特征的回火马氏体.持久断裂试样的马氏体板条略有拉长.

(2)9Cr-2W耐热钢正火态含有几十到上百nm的富含Nb的MX型析出相以及几十nm的针状渗碳体;其回火态主要有2种析出相,即100～300 nm的M23C6型析出相和50 nm左右的MX型析出相,前者含有Cr及Fe元素,主要分布在晶界和亚晶界上,后者含有Nb和V元素,随机分布;9Cr-2W 耐热钢650℃-110 MPa持久断裂试样中的析出相主要是100～300 nm 的M 23 C6型析出相、50～100 nm左右的MX型析出相以及少量尺寸在100～500 nm左右的Laves相,其中Laves相主要分布在马氏体板条界上.

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