超超临界锅炉受热面管新型材料Super304H的性能研究

楼玉民，郑宏晔

（国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310008）

超超临界锅炉受热面管新型材料Super304H的性能研究

楼玉民，郑宏晔

（国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310008）

为详细了解目前超超临界锅炉受热面管大量采用的新型耐热材料Super304H不锈钢的性能，对其开展系列试验，包括不同温度下的短时拉伸试验，不同时效时间下的拉伸试验、室温冲击试验、材料相结构分析、断口扫描电镜分析、高温长期蠕变断裂性能试验，服役炉管的力学性能研究等，得出Super304H耐热钢在模拟服役条件下的性能退化情况和组织结构演变规律。

超超临界；锅炉；Super304H；力学性能；组织结构

0 引言

目前很多超超临界锅炉的受热面管大量采用了新型耐热材料Super304不锈钢，如宁海发电厂5号锅炉炉管，北仑发电厂7号炉屏式过热器下8-48号管、末级过热器下19-49号管、高温过热器下18-51号管等，经过一定周期的服役后均出现了明显的强度增加与塑性下降现象。

为了详细地了解Super304H不锈钢的材料性能，以锅炉关键承压部件（如过热器、再热器等）用材为对象，开展一系列模拟发电厂服役条件的性能试验。选用德国曼内斯曼供货的Super304H耐热钢。研究内容包括：20℃，550℃，600℃，650℃，700℃温度下的短时力学性能研究；700℃下，经过 500，1 000，2 000，3 000 h时效后，Super304H材料的拉伸试验、室温冲击试验、金相组织以及断口扫描电镜分析与透射电镜分析；深入研究其服役性能及其退化规律、组织结构演变规律等问题。

1 材料宏观试验

1.1 力学性能试验

随着温度增加，Super304H不锈钢的强度和延性性能都出现了显著的下降现象，而塑性性能在某个温度段（室温至550℃）表现为下降，但随着温度进一步升高却表现出增加现象。

图1给出了700℃下原始态（0 h，无时效）与经过500，1 000，2 000，3 000 h时效后Super304H不锈钢的拉伸曲线。随着时效时间增加，材料的刚度特性呈现一定的升高，屈服强度趋于增大，但强度极限却表现为下降特征；而塑性性能和韧性性能总体上随时效时间增加表现出下降现象。

表1 不同温度下Super304H不锈钢的力学性能

图1 700℃时不同时效阶段下的拉伸曲线

1.2 冲击试验

时效500 h后，冲击值有明显下降，之后随着时效的增加，冲击值下降不明显，如表2所示。

表2 Super304H不同时效的室温冲击值

2 材料微观试验

2.1 金相组织分析

图2分别给出了Super304H不锈钢在700℃温度经过0，500，1 000，2 000，3 000 h时效后金相组织。从图中也能看出，500 h时效后，金相组织有明显变化，析出物明显增加，随着时效时间的增加，析出物颗粒数量增加不明显。

2.2 典型拉伸断口的扫描电镜观察

图3—5给出了Super304H不锈钢在700℃温度下经过0，1 000，3 000 h时效后的拉伸试样断口扫描电子显微镜下的观察。从图中也能看出，随着时效时间增加，断口呈现出更显著的准解理特征（解理小面+撕裂岭），表明材料的脆性现象。

图2 700℃不同时效金相组织照片

图3 700℃、无时效下的拉伸试样断口形貌

图4 700℃、时效1 000 h后的拉伸试样断口形貌

图5 700℃、时效3 000 h后的拉伸试样断口形貌

2.3 典型样品的微观结构观察

图6是原始态Super304H不锈钢的透射电镜观察照片。从图中能够发现：原始态材料晶粒内部和晶界总体均很干净，偶尔能在晶粒内部发现少量位错以及近球形夹杂物（直径约200 nm）。从晶粒的衍射花样可以判断集体为奥氏体相，未含其他析出相。

图6 原始态透射电镜观察照片

图7给出了经3 000 h时效后Super304H不锈钢的透射电镜观察照片。图中结果显示晶界随处可见大块的析出相，析出相平均宽度约300 nm，长度约1 000 nm。从其形态和衍射花样可以初步判断为M23C6的碳化物，且该析出相与奥氏体存在确定的位向关系。此外在奥氏体晶粒内部可以发现很多沉淀相，其平均直径约100 nm。结合形态和衍射结果可以推断应该是富铜析出相，且该析出相与奥氏体基体完全共格。很显然，上述分布的沉淀析出相是导致材料流动应力（屈服强度）增大的主要原因之一。

图7 700℃、时效3 000 h后的透射电镜观察照片

3 结论

通过以上一系列的试验分析及扫描、透射等电子显微镜的观察，对Super304H不锈钢的材料性能，可得出以下结论：

（1）在室温至700℃温度范围内，随着温度升高，Super304H不锈钢的屈服强度和强度极限均表现出持续下降的特征。

（2）在700℃温度下，Super304H不锈钢的强度极限、塑性性能和韧性总体上随时效增加表现为下降。

（3）时效500 h后，Super304H不锈钢冲击值均有明显下降，之后随着时效的增加，冲击值下降不明显。

（4）500 h时效后，Super304H不锈钢金相组织有明显变化，析出物明显增加，随着时效的增加，析出物颗粒数量增加不明显。

（5）原始态Super304H不锈钢拉伸断口主要由韧窝构成，随着时效增加，拉伸断口呈现出一定的准解理形貌特征，表明材料高温时效后的脆性现象。

（6）原始态Super304H不锈钢晶粒内部和晶界总体比较干净，经3 000 h时效后，Super304H材料中晶界有较多大块析出相，晶粒内部有较多细小的沉淀相和少量较大尺寸的析出物，从形态和衍射花样析出相初步判断为M23C6的碳化物。

[1]刘鸿国，唐丽英，周荣灿.超超临界机组新型不锈钢Super304H与HR3C运行后阶段性性能试验研究[G]//中国电机工程学会.600 MW/1 000 MW超超临界机组新型钢国产化研讨会论文集.2009.

（本文编辑：陆 莹）

Performance Research of New-type Super304H Material for Heat Surface Pipe of Ultra-supercritical Boiler

LOU Yuming，ZHENG Hongye
（State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310008，China）

In order to learn the performance of new-type Super304H heat-resisting stainless steel widely used in heat surface pipe of ultra-supercritical units，series of test are carried out，including short-time tension test in different temperatures，tension test in different ageing time，shock test in room temperature，phase structure analysis of materials，fracture analysis by scanning electron microscope，high-temperature longtime creep fracture performance test and mechanical property research of in-service furnace tube，etc.The paper concludes performance degradation and structure evolution rule of Super304H heat-resisting steel in simulated service.

ultra-supercritical；boiler；Super304H；mechanical property；microstructure

TK225

B

1007-1881（2015）05-0039-03

2014-12-30

楼玉民（1971），男，高级工程师，主要从事电力系统金属材料的试验研究和失效分析工作。