9Cr-3Co-3W 铸件材料应用性能评价

张波，龙老虎，李清松

（1.长寿命高温材料国家重点实验室，四川 德阳，618000；2.东方电气集团东方汽轮机有限公司，四川 德阳，618000）

0 引言

随着电力设计技术、材料技术和制造技术的发展，火力发电机组沿着亚临界—超临界—超超临界—先进超超临界机组的方向推进，使得火力发电机组参数（温度、压力）不断提高，对部件及对应的选材要求也越来越高，以保障机组的安全运行。国内外对超临界、超超临界用9%－12%Cr材料进行深入研究，其中9%～12%CrMoWVNbN、9Cr1MoVNbN、9Cr2WMoVNbNB 广泛应用于600～620 ℃的超超临界机组。美国Vison21、欧洲AD700 和日本A－USC 等计划项目对700 ℃及以上等级先进超超临界机组用高温合金进行了试验研究工作，而中国也成立了“国家700 ℃超超临界燃煤发电技术创新联盟”，主要解决700 ℃等级超超临界燃煤发电技术的关键问题，这些项目的研究成果表明CCA617、IN625、IN740 等高温合金具备用于700 ℃等级以上超超临界机组的技术条件，但由于高温合金的制造成本高、技术难度大等问题，700 ℃及以上等级机组的示范应用还处于停滞状态。为满足“碳达峰”和“碳中和”要求，综合经济性、国内外对耐热钢的研究成果的可行性以满足电力市场的需求，燃煤发电机组将重心转移到630～650 ℃等级超超临界技术的应用；对于630～650 ℃温度范围内超超临界机组用材主要基于620 ℃等级机组用材的成功应用、日本提出的MARBN 合金和欧洲COST536 对MARBN 合金的优化[1－5]。

本文通过对9Cr－3Co－3W 铸造阶梯试块的解剖检查，全面测试了该铸件材料的主要应用性能，充分评价9Cr－3Co－3W 铸件材料应用于630～650℃超超临界机组汽缸、阀门等大型铸件的可行性；评价内容包括高温瞬时拉伸性能、断裂韧性、裂纹扩展速率、低周疲劳性能和高温持久性能等。

1 试料

本研究用的试料采用感应电炉熔炼，砂型铸造的阶梯试块，试料的主要合金含量（wt%）为0.1C－8.9Cr－2.7W－3Co－0.2V－0.06Nb－0.01N－0.01B，并对As、Sn、Sb、Al 等元素进行严格控制。阶梯试块包括了100 mm、200 mm 和300 mm 等3 种厚度，阶梯试块图样如图1 所示。试块的超声波探伤要求：（1）无面积缺陷的最大单个缺陷当量FBH不超过φ2 mm，每100 cm2面积缺陷数量不超过2个；（2）面积缺陷的缺陷评定FBH 当量φ1.6 mm，非形状及耦合引起的底波损失50%以下。对于试块存在的超标缺陷在解剖时应充分去除，防止缺陷引起的数据偏差。试块重700 kg，经过性能热处理后的室温力学性能见表1。

图1 评估用阶梯试块尺寸/mm

表1 9Cr-3Co-3W 铸件材料的室温力学性能

2 试验及结果

2.1 试验方法

为确保评估数据的有效性，本研究涉及的试验及其试样均按照相应的国家标准执行，包括室温拉伸试验方法GB/T 228.1，高温拉伸试验方法GB/T 228.2，冲击试验方法GB/T 229，布氏硬度试验方法GB/T 231.1，高温持久试验方法GB/T 2039，低周疲劳试验方法GB/T 15248，断裂韧度试验方法GB/T 21143 和裂纹扩展速率方法GB/T 6398 等；相关试验测试的机构具有CANS 资质。

2.2 试验结果

2.2.1 高温拉伸性能

分别在100 mm、200 mm、300 mm 厚度截面取高温拉伸试样，分别测试室温、100 ℃、200℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃、600 ℃、700 ℃的强度和塑性指标。测试结果如图2 所示，图2（a）为不同截面的拉伸强度随温度变化的分布，3 个截面的拉伸强度指标差值在30 MPa 左右，最大差值为61 MPa；图2（b）为不同截面的断后伸长率A 随温度的分布，在相同温度点的A 值一般差值为2%，最大差值为7%。说明该试块的拉伸强度和塑性指标比较均匀，为此，后续评价用的低周疲劳性能、断裂韧度、裂纹扩展速率、持久性能等仅在其中一个厚度截面进行取样测试和评价。

图2 9Cr－3Co－3W 铸件材料的高温拉伸性能

2.2.2 低周疲劳性能

在200 mm 厚度截面取样进行9Cr－3Co－3W 铸件材料的低周性能评价，测试温度分别为室温和650 ℃，应变比为－1，总应变幅0.4%～1.6%。在0.4%应变幅条件下室温的低周疲劳寿命高于650℃；但在1.6%应变幅时，650 ℃对应的低周疲劳寿命高于室温，对应的寿命均超过200 个循环周次。室温和650 ℃条件下应变幅Δεt与寿命Nf对应的拟合曲线如图3 所示，满足关系，拟合相关系数达到0.98 以上。

图3 9Cr－3Co－3W 铸件材料的Δεt－Nf 曲线

2.2.3 断裂韧度

在阶梯试块200 mm 厚度截面取试样进行断裂韧度测试，评价9Cr－3Co－3W 铸件材料在630 ℃和650 ℃的断裂力学性能。630 ℃和650 ℃温度下9Cr－3Co－3W 铸件材料的J0.2BL均达到了100 kJ/m2以上，图4 为630 ℃和650 ℃温度下9Cr－3Co－3W铸件材料的J－R 曲线，相应的J－Δa 关系符合J=α+β×（Δa）γ方程，拟合相关系数超过0.98。

图4 9Cr－3Co－3W 铸件材料的断裂韧度

2.2.4 裂纹扩展速率及门槛值

在阶梯试块100 mm 截面取样进行了室温和650 ℃条件下的裂纹扩展速率评价。室温和650 ℃下9Cr－3Co－3W 铸件材料门槛值ΔKth均达到6.0 MPa·m0.5以上，图5 为根据测试数据拟合da/dNΔK 曲线，满足幂指数关系，双对数满足线性回归方程，拟合相关系数均达到0.98 以上。

图5 9Cr－3Co－3W 铸件材料的裂纹扩展速率

2.2.5 高温持久性能

在阶梯试块的100 mm、200 mm、300 mm 分别取样进行高温持久性能试验。试验温度600～675 ℃，试验应力80～187 MPa，测试时间涵盖了几百小时到4 万小时，累计测试时间达到22 万小时，最长测试时间超过3 万小时。利用测试的数据得到的持久L－M 曲线如图6 所示，其中C 取值为20，图中标记×表示试验结束的参数点，而标记为的点表示试验还在进行中，蓝色竖线是650℃条件下10 万小时对应的LMP 值，红色竖线为630 ℃下10 万小时对应的LMP 值，2 条竖线与9Cr－3Co－3W 铸件材料拟合的L－M 曲线的交点分别对应相应温度条件下的外推持久强度。9Cr－3Co－3W 铸件材料在630 ℃和650 ℃下10 万小时的外推持久强度分别为90 MPa 和60 MPa。

图6 9Cr－3Co－3W 铸件材料的持久L－M 曲线

2.2.6 高温长时时效性能

在阶梯试块的100 mm、200 mm、300 mm 截面取试样进行9Cr－3Co－3W 铸件材料的长时时效处理，时效处理温度分别为630 ℃、650 ℃，时效时间5 000 h、10 000 h。时效处理后进行常规性能检查、FATT50 试验和硬度试验。图7（a）是时效对强度的影响，相对于未经时效处理的强度：630℃下5 000 h、10 000 h 的抗拉强度几乎无变化，Rp0.2下降了约30 MPa；650 ℃的抗拉强度下降了约40 MPa，Rp0.2下降了约50 MPa。图7（b）是时效对断后伸长率的影响，在15%～16%波动，影响不大。图7（c）是时效对冲击的影响，经时效后冲击功减少了10 J 以上，但均在14 J 以上。图7（d）是时效对韧脆转变温度的影响，由于时效后冲击性能下降，导致韧脆转变温度有所上升，而650℃下时效后的韧脆转变温度比630 ℃低。

图7 9Cr－3Co－3W 铸件材料经长时时效后的性能变化

3 应用性能分析

9Cr－3Co－3W 铸件材料将主要应用于超超临界机组高中压内缸、阀壳、弯管的大型铸件，这些部件在运行过程中主要承受高温高压、因为温度引起和机组启停的蒸汽应力、热应力和机械应力等。因此，作为高温高压用的静子部件，其主要应用性能评价的指标包括静强度、低周疲劳性能、高温持久性能和长时运行后稳定性。

3.1 静强度的应用评估

静强度是指在不同的温度条件下的高温拉伸强度，主要是屈服强度或规定延性强度Rp0.2，用静强度评价材料的应用性能时其安全系数取值较高，一般均在3.0 及以上。9Cr－3Co－3W 铸件材料在600 ℃和700 ℃时的Rp0.2 分别为363 MPa 和209 MPa；为准确评价9Cr－3Co－3W 铸件材料在630～650 ℃的静强度，补充测试了630 ℃和650 ℃下材料的Rp0.2，分别达到了300 MPa 和270 MPa以上。因此，取3 倍安全系数下9Cr－3Co－3W 铸件材料在630 ℃下的静强度许用应力达到100 MPa 以上，650 ℃下其静强度许用应力达到90 MPa 以上。

同时，对9Cr－3Co－3W 铸件材料高温拉伸强度测试结果进行多项式拟合，拟合相关系数达到了0.998，为此建立了9Cr－3Co－3W 铸件材料的静强度与温度的3 次关系表达式，便于根据零部件的实际工况评价室温到700 ℃范围内任一温度点的静强度。

3.2 低周疲劳性能评价

低周疲劳性能主要用于评价在机组启停等特殊情况下对高温高压部件寿命的损伤，这些损伤是由塑性应变引起的，为此其寿命评价主要以低周疲劳性能为主。根据图3 的结果可知，总应变幅为0.4%时室温和650 ℃条件下9Cr－3Co－3W 铸件材料的寿命均超过了1 万次，分别达到8 万次和1.5 万次以上；总应变幅为1.6%时，其寿命均超过200 次；9Cr－3Co－3W 铸件材料的应变－寿命曲线满足Coffin－Manson 方程，机组在安全寿命评价时可按照对应的曲线表达式进行评价。通过对比9Cr－3Co－3W 铸件材料的应变－寿命满足机组寿命的基本要求。

3.3 持久性能评价

高温持久性能是部件安全性能评价的关键技术指标，是材料在高温长时运行条件下组织稳定性和材料失效的综合性能表征。根据9Cr－3Co－3W铸件材料的高温持久性能测试结果，最长试验时间达到4 万小时以上，温度范围涵盖了600～650℃，试验应力范围宽，试验断裂试验范围广，该材料的持久强度外推满足ASME 等标准的要求，试验参数点与持久强度L－M 曲线吻合度高，拟合相关系数达到0.90 以上，因此630 ℃和650 ℃下10 万小时的外推持久强度的可信度高。

根据图6 可知，还有一半以上的试验仍在进行中，这些数据可使得9Cr－3Co－3W 铸件材料的持久强度L－M 向右移动，说明其随着试验的持续推进实际的持久强度将进一步提高。在620 ℃条件下ZG12Cr9Mo1Co1NiVbNB 铸件材料10 万小时的持久强度为80 MPa 左右，利用其外推公式得到630 ℃下10 万小时的持久强度大约为60 MPa[2]，由此可以看出9Cr－3Co－3W 铸件材料对应的持久强度比ZG12Cr9Mo1Co1NiVbNB 高出20%以上。

3.4 长时时效稳定性评价

高温长时持久性能是材料组织稳定性和持久强度的综合表征；而长时时效处理后的常规力学性能是温度对材料力学性能影响的方法之一。根据630 ℃和650 ℃条件下5 000 h 和10 000 h 的长时时效处理后的力学性能与原始状态相比：630 ℃下10 000 h 内的强度、断后伸长率和硬度变化不大；冲击性能下降较明显，相应的韧脆转变温度有所提高，这些变化主要集中在时效的前5 000 h，5 000 h 与10 000 h 力学性能相当。650 ℃下10 000 h 内的断后伸长率和硬度变化不大，强度（尤其是屈服强度）和冲击下降较明显，FATT50 有所上升；同样，这些变化主要集中在时效处理的前5 000 h，因为其5 000 h 和10 000 h 的力学性能相当。随着后续更长时间的时效处理性能数据将进一步评价其长时时效的温度性。

4 结论

通过解剖阶梯试块对9Cr－3Co－3W 铸件材料进行全面力学性能评价，该材料在630～650 ℃具有良好的综合力学性能，可用于该温度条件下运行部件的设计评估。

（1）经性能热处理后，阶梯试块3 个截面常规和高温拉伸性能均匀；

（2）9Cr－3Co－3W 铸件材料的高温Rp0.2 与温度之间满足三次多项表达式关系，试验结果和拟合计算的结果可用于产品静强度评估。

（3）9Cr－3Co－3W 铸件材料在室温和650 ℃的低周疲劳性能满足Coffin－Manson 方程，可用于产品的低周疲劳寿命评估。

（4）9Cr－3Co－3W 铸件材料的630 ℃/10 万小时和650 ℃/万小时持久强度分别达到90 MPa 和60 MPa，随着后续试验的进行其持久强度将进一步提高，比620 ℃用ZG12Cr9Mo1Co1NiVbNB 铸件材料持久强度高出20%以上。

（5）9Cr－3Co－3W 铸件材料经5 000 h 时效后性能有一定变化，但变化较小，具有一定的性能稳定性。