超超臨界汽輪機高中壓轉(zhuǎn)子X12CrMoWVNbN10-1-1鋼熱處理過程中微觀組織演變與力學(xué)性能的研究.pdf

1、超超臨界汽輪機高中壓轉(zhuǎn)子是百萬千瓦超超臨界汽輪機組的關(guān)鍵部件，其服役蒸汽溫度達到600℃、蒸汽壓力達到30MPa。惡劣的工作環(huán)境要求轉(zhuǎn)子擁有良好的材料綜合性能，而材料的性能與微觀組織有著直接的聯(lián)系。因此研究轉(zhuǎn)子材料在熱處理過程中的微觀組織演變規(guī)律及其與力學(xué)性能的關(guān)系，對于制定合理的熱處理工藝以獲得所要求的性能具有極其重要的學(xué)術(shù)價值和工程意義。本文采用多種材料表征手段，如物理化學(xué)相分析、X射線衍射、背散射電子衍射、掃描電鏡、透射電鏡和力學(xué)

2、性能測試等，以 X12CrMoWVNbN10-1-1鋼為主要研究對象，探索其微觀組織演變規(guī)律及其對力學(xué)性能的影響，從而為制定合理的熱處理工藝，實現(xiàn)批量化生產(chǎn)中組織穩(wěn)定性和均勻性的控制提供技術(shù)支撐。
　　首先，研究了 X12CrMoWVNbN10-1-1鋼過冷奧氏體700℃（TTT圖鼻尖溫度）等溫分解的相變機制、特征和動力學(xué)等問題。研究發(fā)現(xiàn)等溫過程中所發(fā)生的擴散型相變產(chǎn)物主要為鐵素體基體、Cr-rich M23C6、少量Cr-ric

3、h M2N和Nb-rich MN。析出相首先在原奧氏體晶界處形核長大，隨著等溫時間的延長，以胞狀物的形式向奧氏體晶粒內(nèi)部析出，并伴有γ→α的轉(zhuǎn)變。以不同等溫時間轉(zhuǎn)變后所得到的微觀組織作為初始組織，對其再次進行奧氏體化加熱和晶粒尺寸的測定，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著等溫時間的延長，奧氏體晶粒的細化效果越明顯，當(dāng)?shù)葴貢r間長達120h后，其細化效果不再顯著增加。在此基礎(chǔ)上提出了通過等溫轉(zhuǎn)變的方法實現(xiàn)奧氏體晶粒細化的機制，認為殘余奧氏體含量是細化奧氏體晶粒的

4、關(guān)鍵，并確定了該鋼有效細化奧氏體晶粒的殘余奧氏體臨界體積分數(shù)約為3.2％。
　　其次，研究了不同奧氏體化條件下，碳氮化物的溶解規(guī)律與奧氏體晶粒長大的關(guān)系。結(jié)果表明，1070℃保溫60min后富Cr相全部溶解于基體中。Nb-rich MN相在1070℃奧氏體化過程中起初逐漸溶解，當(dāng)保溫時間達到180min后不再繼續(xù)溶解。而在1010℃條件下，Nb-rich MN相沒有發(fā)生溶解。1200℃保溫90min之后，僅有少量的Nb-rich

5、MN相存在。結(jié)合奧氏體晶粒長大規(guī)律，可發(fā)現(xiàn)Nb-rich MN相對奧氏體晶界有顯著的釘扎作用，起有效釘扎作用的Nb-rich MN顆粒的臨界直徑和體積分數(shù)分別約為117nm和3.1×10-4。同時還發(fā)現(xiàn)，奧氏體晶粒的長大行為對后續(xù)冷卻過程中的馬氏體相變行為有顯著影響，即奧氏體晶粒異常長大現(xiàn)象的存在可能是引起馬氏體相變開始點分離的主要原因。
　　再次，研究了不同淬火冷卻條件對 X12CrMoWVNbN10-1-1鋼微觀組織與沖擊性能

6、的影響。通過實驗觀察確定了鐵素體形成的臨界冷速在1～1.5℃/min之間，而抑制Cr-rich M2N和Fe-rich M3C析出的臨界冷速分別大于1.5℃/min和600℃/min。將不同冷速冷卻后的試樣進行700℃/24h回火并測試其沖擊性能。結(jié)果表明，水冷、空冷和爐冷后回火試樣的沖擊性能幾乎相同，約為33J；冷速降為1.5℃/min時，其回火試樣的沖擊性能下降至23.3J左右。隨著淬火冷速進一步下降，對應(yīng)的回火沖擊性能也隨之降低。

7、結(jié)合不同條件下的微觀組織與沖擊性能的分析，認為冷速過低造成硬化相Cr-rich M2N的析出是沖擊性能降低的主要原因。
　　最后，以1080℃/16h奧氏體化后爐冷得到的產(chǎn)物作為初始狀態(tài)，系統(tǒng)地研究了回火溫度與時間對微觀組織演變規(guī)律和力學(xué)性能的影響。組織觀察表明，550℃以下回火18h，有Cr-rich M2N、Cr-rich M7C3和Nb-richMN的析出。570℃回火10h后有Cr-rich M23C6的析出。隨著回火溫度

8、的升高，Cr-rich M7C3逐漸減少，Cr-rich M23C6逐漸增多。此外，基于物理化學(xué)相分析方法測定了提取的析出相中所含元素含量，著重分析了不同回火條件下析出相的析出行為。在此基礎(chǔ)上確定了在回火過程中碳化物的析出序列為Fe-rich M3C→Cr-rich M7C3→Cr-rich M23C6。硬度測試顯示，550℃以下回火時析出相較少，大量合金元素在基體中仍起著固溶強化作用，其硬度值基本穩(wěn)定在430 HV10左右；550℃以