一种新型铁素体耐热钢

符 锐， 赵双群， 王延峰

(上海发电设备成套设计研究院有限责任公司， 上海 200240)

目前，T91、T92等火电机组常用的w(Cr)=9%～12%(简称9%～12%Cr)的铁素体耐热钢最高使用温度可达620 ℃，600 ℃、105h下的持久强度超过100 MPa，在国内外超临界火电机组中取得了非常广泛的应用。随着超超临界火电技术的发展，机组蒸汽参数已达到620 ℃，甚至650 ℃以上，此时，常用的9%～12%Cr铁素体耐热钢在持久强度和耐腐蚀性能方面表现出了明显的不足。为了能够满足650 ℃级别机组的性能需要，铁素体耐热钢的改型和发展主要集中在以下几个方面[1]：

(1) 采用合金化手段，对现有铁素体耐热钢进行成分微调，以提高合金元素的高温强化效果。例如：添加固溶元素Co、弥散强化元素Ta、Ti，引入平衡元素Cu。

(2) 根据组织控制原理，通过调整铁素体耐热钢的热处理工艺，改变其第二相及晶界的分布，从而提高弥散析出强化和晶界强化的效果。

(3) 引入新的加工制造技术，主要包括氧化物弥散强化钢的制备等。

(4) 通过表面处理技术提高现有铁素体耐热钢的耐腐蚀性能。

但是，上述4个方面的发展，并不能从根本上改善9%～12%Cr铁素体耐热钢在持久强度和耐腐蚀性能方面的不足。实际上，截至目前也没有成功开发出既能满足650 ℃级别机组的性能要求，又在经济性上比较合理的9%～12%Cr铁素体耐热钢种。因此，为了使铁素体耐热钢满足650 ℃级别机组的性能要求，转而开发含w(Cr)>12%的新型高Cr含量铁素体耐热钢。笔者针对一种新型的w(Cr)=15%的铁素体耐热钢(简称15%Cr钢)进行文献调研分析，并介绍15%Cr钢的研究现状与发展展望。

1 15%Cr钢概述

2000年，日本国立材料研究所(NIMS)的木村一弘和户田佳明在日本申请专利[2]，首次披露了一种w(Cr)>13%，含W、Mo和Co且铁素体相体积分数占70%以上的铁素体耐热钢。该钢最初的开发思路是在T92的基础上提高Cr、W含量，添加Co元素，从而获得比T92更好的析出强化、固溶强化效果及更高的耐腐蚀性能。自2000年至今，经过近二十年的改善和发展，这种新型高Cr含量铁素体耐热钢的化学成分已基本确定，其名义化学成分见表1，其700 ℃、10 000 h下的持久强度与T92相比有较为显著的优势。

表1 15%Cr钢名义化学成分

2 15%Cr钢高温强化机制

15%Cr钢的合金化元素包括W、Co、Ni、Mo和C等，是一种高合金化的析出强化型耐热钢，其固溶态组织主要为铁素体，或铁素体+少量马氏体。15%Cr钢具有比T92更优的持久强度，其强化机制主要包括金属间化合物和弥散分布的MX型碳氮化物的析出强化，以及Co、Cr、Mo、W和Mn等元素的固溶强化。

2.1 合金元素

2.1.1 W、Co元素

TODA Y等[4]研究了3W-0Co、3W-3Co、6W-0Co和6W-3Co 4种不同成分的完全退火态15%Cr钢样品在650 ℃和700 ℃的持久蠕变性能。结果表明：在15%Cr钢中增加W含量会促进Laves相、μ相，尤其是χ相等金属间化合物的析出；增加Co含量会促进碳化物M23C6在晶内析出。晶内碳化物M23C6析出强化对短时持久强度有利，χ相等金属间化合物析出强化对长时持久强度更有利。

2.1.2 C、N元素

TODA Y等[5]在15Cr-1Mo-6W-0.2V-0.05Nb-3Co-0.003B钢的基础上，分别添加0.07%(质量分数，下同)的N(0C-7N)、0.10%的C(10C-0N)、0.05%的C和0.03%的N(5C-3N)、0.1%的C和0.08%的N(10C-8N)，设计了4种C、N质量分数不同的15%Cr钢，并研究了C、N质量分数对15%Cr钢持久强度的影响。结果表明：添加N元素或联合添加C、N元素，会促进尺寸为200～300 nm、形态良好的第二相析出，从而提高15%Cr钢的持久强度；但是若C、N含量过高，析出相粗化长大，并导致周围出现无析出区，则会弱化15%Cr钢的长时持久强度。

2.1.3 Ni元素

TODA Y等[6-7]研究了Ni元素对15%Cr钢的长时持久强度及塑性的影响。结果表明：由于Ni是一种奥氏体稳定化元素， Ni元素含量增加，会提高15%Cr钢固溶态组织中的马氏体相体积分数。

图1为不同Ni质量分数的15%Cr钢的固溶态金相组织照片，φ(f)为马氏体相体积分数，分别为10%、16%和22%[7]。加入一定量的Ni元素，能显著改善15%Cr钢的持久断裂塑性：不含Ni的15%Cr钢，650 ℃时的持久断裂伸长率不到5%，断面收缩率不到10%；而w(Ni)=0.4%的15%Cr钢，650 ℃时的持久断裂伸长率提高到20%左右，断面收缩率提高到60%左右。

图1 15%Cr钢在1 200 ℃、30 min下的固溶态金相照片

2.2 热处理

众所周知，热处理是影响耐热钢组织及性能的重要因素。TODA Y等[6]研究了随炉冷却和水冷两种不同冷却方式对15%Cr钢固溶态组织和持久性能的影响。结果表明：与固溶处理+随炉冷却相比，固溶处理+水冷后15%Cr钢中的马氏体相体积分数较小，块状析出相尺寸较小，长大较慢，持久强度较高。

3 15%Cr钢组织稳定性

文献[3]中所用15%Cr钢(表1中成分，下同)由真空感应熔炼、热轧制成15 mm厚板材，再经1 200 ℃、30 min固溶+水冷处理，其固溶态的金相组织见图2(图中基体为铁素体，有少量马氏体分布在铁素体晶粒的晶界和晶内)。

图2 15%Cr钢固溶态金相照片

图3为15%Cr钢中几种析出相的体积分数(Thermo-Calc计算结果)[7]，析出相主要有Laves相(Fe2W)、χ相(Fe36Cr12W10)等金属间化合物，以及M23C6碳化物、Z相(Cr(V,Nb)N)、MX型((V,Nb)(C,N))碳氮化物等。在650～750 ℃，Laves相和χ相的总体积分数接近或超过10%，由于Laves相的分解有利于χ相的析出，二者存在“此消彼长”的关系。

图3 15%Cr钢中析出相体积分数

图4为15%Cr钢持久断裂试样的背散射电子显微组织照片[3,7]。

图4 15%Cr钢持久断裂样品背散射照片

由图4(a)可以看出：只在铁素体基体中发现有金属间化合物析出，这是由于铁素体基体中W、Mo元素含量较高，促进了持久试验过程中金属间化合物的析出[3,7]。由图4(b)可以看出：由于温度提高、时间增长，铁素体、马氏体中均有金属间化合物析出，且针状的析出相有长大的趋势。由图4(c)可以看出：析出相颗粒尺寸显著长大，马氏体晶粒中均匀分布尺寸约1 μm的金属间化合物析出相，M23C6碳化物主要析出在马氏体与铁素体分界处，碳化物在马氏体与铁素体分界处析出和长大，与碳元素从马氏体相向铁素体相的扩散过程有关[3]。15%Cr钢在750 ℃温度下持久试验8 000 h，析出相分布均匀，最大尺寸为1 μm左右，没有发生恶性粗化。

4 15%Cr钢持久蠕变性能

T92是目前国内火电机组中常用的、持久强度水平最高的铁素体耐热钢之一，图5为15%Cr钢与传统的T92在650 ℃、700 ℃和750 ℃的持久强度对比[3]。

图5 15%Cr钢与T92在650 ℃、700 ℃和750 ℃持久强度对比

由图5可以看出，15%Cr钢的持久强度与T92相比有着明显的优势。在700 ℃和750 ℃，15%Cr钢的持久断裂时间显著长于T92，持久时间延长到一定程度，二者的持久强度都有“下折”的趋势，但是在10 000 h处，15%Cr钢的持久强度仍高于T92。

图6为15%Cr钢在650 ℃、700 ℃和750 ℃的蠕变曲线[3]。由图6可以看出，曲线可分为瞬态蠕变阶段和加速蠕变阶段，没有明显的稳态蠕变阶段。

图6 15%Cr钢在650 ℃、700 ℃和750 ℃蠕变曲线

5 结语

笔者针对新型15%Cr钢进行文献调研分析，从强化机理、组织稳定性和持久蠕变强度3个方面介绍了15%Cr钢的研究现状，可以得出以下结论：

(1) W、Co、C、N、Ni等合金元素的含量和固溶冷却方式会影响15%Cr钢的持久性能。在15%Cr钢中增加W含量会促进Laves相、μ相，尤其是χ相等金属间化合物的析出；增加Co含量会促进碳化物M23C6在晶内析出。晶内碳化物M23C6析出强化对短时持久强度有利，χ相等金属间化合物析出强化对长时持久强度更有利。添加N元素或联合添加C、N元素，会促进尺寸为200～300 nm、形态良好的第二相析出，从而提高15%Cr钢的持久强度；但是若C、N含量过高，析出相粗化长大，并导致周围出现无析出区，会弱化15%Cr钢的长时持久强度。加入一定量的Ni元素，能显著改善15%Cr钢的持久断裂塑性。与固溶处理+随炉冷却相比，固溶处理+水冷后15%Cr钢中的马氏体相体积分数较小，块状析出相尺寸较小，长大较慢，持久强度较高。

(2) 15%Cr钢在750℃温度下持久试验8 000 h，析出相分布均匀，最大尺寸为1 μm左右，没有发生恶性粗化，15%Cr钢具有较好的组织稳定性。

(3) 通过650 ℃、700 ℃和750 ℃持久强度对比，15%Cr钢的持久强度与T92相比有较为明显的优势。

综上所述，15%Cr钢具有较好的组织稳定性，以及比传统9%～12%Cr铁素体耐热钢更优的高温持久强度和预期更强抗蒸汽氧化性能，将有可能用于650 ℃超超临界火电机组高温部件。