GH984G合金管高温持久性能及组织稳定性研究

王婷婷,徐松乾

(宝武特种冶金有限公司,上海 200940)

燃煤发电占我国电力的60%～70%,为进一步提高煤电转化效率,高蒸汽参数超超临界电站已成为我国火电机组的发展方向[1-2]。目前,世界范围内最先进超超临界火电机组的蒸汽参数为600 ℃,而且我国已经成为世界上投运600 ℃超超临界电站装机数量和总容量最多的国家。当前,国家能源局已批复630 ℃超超临界二次再热机组示范项目。面向未来,我国及欧美、日本、韩国等正在研制650～700 ℃蒸汽参数超超临界火电机组[3-5]。

耐热材料一直以来是制约煤电机组向更高参数发展的“卡脖子”问题。随着蒸汽温度和蒸汽压力的提高,超超临界火电机组对耐热材料的性能提出了更高的要求,主要表现为更高的高温持久、蠕变强度,良好的抗氧化和耐蚀性能,优异的组织稳定性,良好的冷、热加工性能、焊接性能等[6-7]。由于650～700 ℃超超临界火电机组对耐热材料的性能提出了更高要求,600～630 ℃超超临界火电机组所使用的S30432、S31042等奥氏体耐热钢已不能满足要求,但目前国际上尚无成熟的材料可选用,因此必须开发能够在650～750 ℃长期稳定服役的耐热材料[4-9]。GH984G合金是我国自主开发的一种镍铁基高温合金,具有优异的抗氧化、抗腐蚀性能,同时具有低成本等特点,是我国650～700 ℃超超临界燃煤发电机组的重要候选材料。宝武特冶联合中科院金属所采用工业化模式开发了GH984G合金管,以满足我国首个700 ℃超超临界电站材料验证试验平台的需求。

持久强度作为超超临界机组用耐热材料最重要的性能之一,可以模拟服役过程中温度和应力对材料组织性能的影响。本文研究了650～700 ℃高参数超超临界火电机组用GH984G合金管的700 ℃持久性能及相应温度下的组织稳定性,为GH984G合金管实际应用提供试验数据和理论支持。

1 试验方法

以工业化生产的规格为φ75 mm×11 mm的GH984G合金管为研究对象,主要化学成分见表1。GH984G合金管的生产流程为:真空感应+真空自耗冶炼→锻造管坯→热挤压+冷轧制管→热处理。合金管的热处理工艺为1 160 ℃×35 min/水冷+750 ℃×12 h/空冷。从热处理态的管材上取纵向试样进行持久性能检测分析。持久试验温度采用该合金拟服役温度700 ℃,持久应力分别为400、350、300、250和200 MPa等。对已经发生持久断裂的试样沿纵向剖开,如图1所示,重点观察①位置和②位置,其中①位置为断口处,②位置为夹持端。

表1 GH984G合金管主要成分 Table 1 The main compositions of GH984G alloy tube %

持久性能测试在Bπ-2 型持久试验机上进行,检测依据为GB/T 2039—2012;微观组织观察采用金相显微镜和EVO MA25扫描电镜;采用5 g FeCl3+50mL HCl+50mL H2O 溶液进行腐蚀。

2 试验结果

图2为GH984G合金管的700 ℃持久性能。在目前GH984G合金管持久试验数据中,最长持久寿命数据为200 MPa/19 144 h。使用对数法对GH984G合金管持久断裂时间与应力的关系进行拟合,可以得到GH984G合金管105h外推持久强度为153.8 MPa。为了保证电站稳定运行30～40年,650～700 ℃先进超超临界机组对高温材料高温持久蠕变性能要求是105h的外推持久强度大于100 MPa,这对国内外的很多高温材料构成严重挑战。通过图2可以看出,工业试制的GH984G合金管能够很好地满足持久性能要求。

观察持久断口附近纵截面组织,见图3。可以看出,持久过程中晶粒沿正应力方向发生明显变形,部分晶界有开裂现象;高倍下发现晶界上的碳化物与基体界面有微孔存在,可以推测在高温持久试验过程中,因为晶界碳化物与基体塑性变形不协调而产生脱离,形成微孔,从而成为持久断裂的裂纹源,这些形成的微孔在随后的持久试验过程中进一步长大、聚合,直至引起材料的断裂。

3 试验分析与讨论

持久性能的表现与高温下材料的组织稳定性密切相关。为了进一步了解GH984G合金管高温下的组织稳定性及其对持久性能的影响,选择了不同持久寿命试样的螺纹区位置进行分析。与持久断口区相比,螺纹区位置基本不受应力作用,但与断口区经历了相同的热过程(相当于长时时效),分析不同持久寿命试样螺纹区位置的组织变化情况,可以获取GH984G合金管高温下的组织变化。

图4给出了热处理态及持久寿命为2 456、8 941、19 144 h对应的螺纹区的晶粒组织。与热处理态相比,经历700 ℃时效后,随着时间延长,晶粒没有发生明显粗化。

图5给出了热处理态及持久寿命为2 456、8 941、19 144 h对应的螺纹区的晶界析出相变化。可以看出,随着经历700 ℃时间的延长,晶界M23C6碳化物形貌由刚开始的断链状逐渐粗化并连接。粗化的M23C6会导致持久过程中与基体产生微孔,最终成为持久裂纹源。值得注意的是,在700 ℃下时效长达19 144 h,虽然晶界M23C6有粗化趋势,但没有发现η相等有害相析出[10],良好的组织稳定性为GH984G合金管持久寿命奠定了良好的基础。

4 结论

(1) GH984G合金管700 ℃持久性能优异,105h的外推持久强度为153.8 MPa。

(2) 经历700 ℃长时时效后,随着时间延长,晶界碳化物逐渐粗化,′相粒径逐渐粗化但保持球状并呈均匀弥散分布,在700 ℃下时效长达19 144 h仍未发现有害相析出。良好的组织稳定性保障了GH984G合金管的700 ℃持久性能。