形变热处理对SAVE12马氏体耐热钢组织与性能的影响*

李生志，孙 林，单爱党

(1.上海电气电站设备有限公司 汽轮机厂，上海 200240；2.上海交通大学 材料科学与工程学院，上海 200240；3.中国兵器工业新技术推广研究所，北京 100089；4.上海交通大学 环境科学与工程学院，上海 200240)



形变热处理对SAVE12马氏体耐热钢组织与性能的影响*

李生志1,2，孙 林3，单爱党2,4

(1.上海电气电站设备有限公司 汽轮机厂，上海 200240；2.上海交通大学 材料科学与工程学院，上海 200240；3.中国兵器工业新技术推广研究所，北京 100089；4.上海交通大学 环境科学与工程学院，上海 200240)

通过进行650 ℃大变形轧制和回火处理，制备出纳米级析出相强化的SAVE12马氏体耐热钢，研究了形变热处理对SAVE12钢的组织和性能的影响。结果表明，经形变热处理后的SAVE12马氏体耐热钢的基体组织显著细化，基体组织中形成了大量细小弥散分布的纳米级M23C6型和MX型析出相。力学性能测试结果表明，形变热处理后，SAVE12钢的室温及高温拉伸强度和蠕变性能明显得到提高。

SAVE12钢；形变热处理；纳米级析出相；力学性能

相对于奥氏体耐热钢来说，低成本且ω(Cr)=9%～12%的马氏体耐热钢具有较低热膨胀系数，良好的热导率，较好的蠕变断裂强度，高温抗氧化和抗腐蚀性能，被认为是高蒸汽参数超临界机组的首选钢种材料。但至今，作为结构材料被工业广泛使用的ω(Cr)=9%～12%的马氏体耐热钢，其最高工作温度仍<610 ℃，因而需要采用一种有效方法来优化材料的组织，提高材料的高温蠕变持久性能，以适应更高参数的超超临界机组[1-3]。

马氏体耐热钢作为一种析出弥散强化耐热钢，可以通过调整组织中析出的第二相粒子的粒径、体积含量及弥散度来优化组织和性能[4]。目前，氧化物弥散强化 (Oxide Dispersion Strengthening, ODS) 技术和热机械变形 (Thermo-mechanical Treatment, TMT) 技术被认为是制备纳米级析出强化钢的最有效方法[5]。然而复杂的工艺、昂贵的粉末冶金和机械合金化，以及无法批量生产等缺点，限制了ODS技术的发展，使得TMT工艺成为制备纳米析出相强化钢的首选方法[6]。R. L. Klueh和S. Z. Li等[7-8]利用TMT工艺，对ω(Cr)=9%～12%马氏体耐热钢在650 ℃进行轧制形变处理，在块状基体中成功制备出纳米级弥散分布析出相，位错与细小稳定的析出相相互作用，使变形后的材料最大工作温度提高了至少50 ℃。

本文以SAVE12钢为基础材料，经大变形中温同步轧制获得超细组织的马氏体耐热钢，分析了组织和第二相的演变过程，探讨了形变热处理对组织结构和力学性能的影响。

1 试验材料与方法

研究用SAVE12钢的具体成分(见表1)参考了日本住友金属工业株式会社的M. Igarashi等1997年在日本申请的专利(JP07226762)及参加国际动力工程会议等报道[9-10]。采用真空感应炉熔炼，获得的材料经过标准热处理工艺处理(1 050 ℃/0.5 h正火和765 ℃/1 h回火)。

表1 SAVE12钢的化学成分(质量分数) (%)

形变热处理试验工艺过程如图1所示。轧制前，先将外形尺寸为30 mm×30 mm×100 mm的长条状SAVE12钢材料进行1 100 ℃保温1 h处理，使组织奥氏体化和析出相充分溶解，随后空冷至650 ℃，进行同步大变形轧制，变形量为93%，轧制完试样立即水淬，然后分别在650、700和765 ℃不同温度下进行回火，保温1 h后空冷至室温。

图1 形变热处理试验工艺过程示意图

热处理后进行纵向切割、镶嵌、研磨、抛光和腐蚀，然后采用MEF4A型光学显微镜(OM)进行组织观察。在MTP—1A型电解双喷仪上制备透射电镜试样，电解液为5%体积分数的高氯酸酒精溶液，双喷时溶液温度为-35～-25 ℃，设备电压为50 V。双喷后，在Gatan离子减薄仪上进一步减薄，然后采用TEM JEOL—2100F场发射高分辨透射电子显微镜对金属薄膜试样进行形貌观察和结构分析，加速电压为200 kV。利用透射电子显微镜的OXFORD—INCA型能谱仪(EDS)对试样感兴趣区进行成分分析。以30张析出相的暗场TEM照片进行统计，确定析出相的尺寸和体密度。在SHIMADZU—100 kN 拉伸实验机上测定材料的负荷-位移曲线，拉伸温度分别为室温、600、650和700 ℃，高温到温后保温15 min。蠕变试验在RDL105蠕变机上进行，试验条件分别为：650 ℃/180 MPa和650 ℃/210 MPa。

2 试验结果与讨论

2.1 微观组织

不同状态下SAVE12钢的金相组织如图2所示。经正火、回火热处理后的SAVE12钢，其基体组织主要为回火板条马氏体和少量的高温Delta铁素体(图2a箭头指示)，沿晶界和板条界弥散分布着细小的碳化物。经大变形轧制和回火处理后，组织中明显细化，并且沿轧制方向形成流线状纤维组织，随着回火温度的提高，材料的组织发生了回复和部分再结晶。

图2 不同状态下SAVE12钢的金相组织

标准热处理后SAVE12钢的组织结构如图3所示，由图3可以观察到，沿原奥氏体晶界和马氏体板条界弥散分布着颗粒尺寸为100～300 nm的M23C6型碳化物，此外，回火板条马氏体基体中还分布有尺寸为20～50 nm的MX型析出相。从图3b的能谱分析可以看出， M23C6碳化物富Fe、Cr和W，MX型析出相富含Nb、Ta和V。

图3 标准热处理后SAVE12钢的组织

形变热处理工艺在显著细化马氏体基体组织的同时，也对析出相尺寸和数量产生了重要影响。图4给出了650 ℃温轧大变形后SAVE12钢中析出相随回火温度的变化情况。图4a为650 ℃回火1 h后材料组织的明场像，在该温度下，组织发生部分再结晶，存在大量位错缠结，基体中存在较大的畸变，析出相的直接观察变得困难，但在暗场像下(见图4b)可以看到，在基体中形成大量细小析出相，粒径在几个纳米到十几纳米，相对于未经形变热处理后的SAVE12钢样品，析出相明显细化，并且这些析出相在马氏体基体中呈现2种分布状态，即：马氏体板条内均匀弥散分布；在马氏体板条间沿板条界面分布。当回火温度升高到700 ℃时(见图4c)，析出相尺寸略有增加，少量析出相的粒径达到50 nm左右。当回火温度继续升高到765 ℃时(见图4d)，相对于650和700 ℃回火后的试样，基体和板条界面的析出相都明显长大，粒径达到数十纳米，少部分析出相尺寸>100 nm。通过对这些析出相的选区电子衍射分析(见图4e和图4f)可知，此析出相为面心立方结构(FCC)，晶带轴为[110]，晶格常数约为10.34 Å，可判断其为M23C6型碳化物的析出相。

图4 形变后SAVE12钢中析出相随回火温度的演变

形变热处理前、后SAVE12钢中的M23C6析出相粒径及密度见表2。

表2 SAVE12钢中M23C6析出相在形变热处理前、后的变化

由表2可以看出，未形变热处理态样品的M23C6碳化物平均粒径为203 nm，经93%形变和650 ℃回火处理后，析出相尺寸下降到12.7 nm，密度提高了至少2个数量级；当回火温度提高到700 ℃，M23C6析出相的平均粒径增加到25.1 nm；而当回火温度升高到765 ℃，析出相的平均粒径相对于650和700 ℃回火后组织中的析出相明显增加，达到63.5 nm，此时，相对于未形变热处理态的SAVE12钢，粒径仅为原始材料的1/3，密度提高了1个数量级。这样的结果说明，通过大变形及热处理，可以有效地改善组织中析出相的分布、粒径及密度，从而在不改变材料成分的前提下，最大限度地提高析出相的弥散强化效果，使材料的力学性能更加优化。需要提及的是，由于形变热处理工艺后的SAVE12钢中马氏体基体存在高密度的位错及缠结，使细小的MX型碳或氮化物析出相无法被清晰观测与准确统计，本文未对细小MX型析出相做统计分析。

2.2 力学性能

不同处理状态下SAVE12钢的不同温度拉伸性能柱状图如图5所示。

由图5可以看出，强度随着拉伸温度的升高，呈现下降趋势。相对于未形变热处理的材料，温轧93%形变，并且经650和700 ℃回火后，SAVE12钢的屈服强度和抗拉强度明显提高，室温及各高温强度提高幅度近40%。这主要是由于组织中形成了大量细小的M23C6型碳化物和MX型碳氮化物析出相，同时回火温度较低，在轧制过程中形成的大量位错并没有在回火过程中消失，而是和细小的MX型碳化物或氮化物析出相及较大尺寸的M23C6型碳化物相互作用，细小弥散的析出相钉扎位错，且位错与位错之间相互缠结，强化了材料。经温轧93%形变且765 ℃回火后，室温及高温强度并没有提高，这主要是高温回火基体发生明显回复和再结晶，并且相对高温回火后的析出相明显长大，密度降低，降低了强化效果。

SAVE12钢形变热处理蠕变性能曲线如图6所示。在650 ℃/180 MPa条件下，未形变热处理和93%形变650 ℃回火后SAVE12钢的蠕变速率分别为1.45×10-6和2.72×10-8/s，形变热处理后的材料的蠕变速率降低了近2个数量级；在650 ℃/210 MPa条件下，SAVE12钢形变热处理前、后的蠕变速率分别为1.33×10-4和3.46×10-5/s，蠕变断裂寿命从44 h提高到138 h，高温高应力下形变后的材料使用时间增加了2倍。从短时蠕变结果来看，经形变热处理后的材料，蠕变速率明显降低，蠕变断裂寿命显著增加。R. L. Klueh 等[11]和S. Z. Li等的研究结果也表明，形变热处理对G91和P92马氏体耐热钢的强化效果明显，短期蠕变寿命至少提高1倍。结合本研究对SAVE12钢研究结果，充分说明形变热处理方法是提高马氏体耐热钢的综合力学性能的一种有效手段。

图6 形变热处理前、后SAVE12钢的蠕变性能曲线

3 结语

通过上述研究，得出结论如下。

1)经过形变热处理后SAVE12马氏体耐热钢的基体组织明显细化，M23C6型和MX型析出相尺寸达到纳米级，密度显著增加，分布均匀弥散。

2)经温轧93%形变，并且经650和700 ℃回火后，SAVE12钢的室温及各高的屈服强度和抗拉强度提高近40%。

3)经形变热处理后，SAVE12在650 ℃/180 MPa蠕变条件下，最小蠕变速率降低了2个数量级；在650 ℃/210 MPa蠕变条件下，蠕变断裂寿命提高了2倍。

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责任编辑 马彤

Effect of Thermo-mechanical Treatment on Microstructure and Mechanical Property of SAVE12 Martensitic Heat Resistant Steel

LI Shengzhi1,2, SUN Lin3, SHAN Aidang2,4

(1.Turbine Plant，Shanghai Electric Power Generation Equipment Co.，Ltd., Shanghai 200240, China;2.School of Materials Science and Engineering, Shanghai 200240, China; 3.Advanced Technology Generalization Institute of CNGC， Beijing 100089, China; 4.School of Environmental Science and Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

SAVE12 martensitic heat resistant steels strengthened by nano-sized precipitations are fabricated by heavily warm deformation at 650 ℃ and subsequent tempering treatments, and the effect of thermo-mechanical treatment processing (TMTP) on microstructures and mechanical properties is studied. It is showed that the matrix structure of the SAVE12 martensitic steel is significantly refined by TMTP and a large number of dispersed nano-scale M23C6 type and MX type precipitates are formed in steels. The mechanical property testing results show that TMTP greatly improves the room-temperature and high-temperatures tensile strength and creep property of the SAVE12 martensitic heat resistant steels.

SAVE12 steel, thermo-mechanical treatment, nano-sized precipitated phase, mechanical property

TG 161

A

李生志(1982-)，男，工程师，博士，主要从事汽轮机高温合金材料分析等方面的研究。

2016-07-14