超超臨界汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子用鋼的蠕變性能與組織研究及新鋼種的設(shè)計(jì).pdf

1、本文以超超臨界汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子用鋼X12CrMoWVNbN10-1-1(X12)以及在X12鋼基礎(chǔ)上新設(shè)計(jì)的含Co鐵素體耐熱鋼為研究對(duì)象，首先對(duì)X12鋼的短期蠕變和長(zhǎng)期持久性能及組織進(jìn)行了分析；然后在X12鋼的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了9種新型含Co鐵素體耐熱鋼，提出并采用了一種通過(guò)慢速率高溫拉伸試驗(yàn)手段來(lái)篩選9-12％ Cr鐵素體耐熱鋼的方法，得到了Co和W的最佳調(diào)配比例，篩選出了性能較優(yōu)的新型含Co鐵素體耐熱鋼；并對(duì)篩選出的合金進(jìn)行蠕變性能評(píng)估和

2、組織演變研究。由X12鋼的短期蠕變數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，X12鋼的蠕變曲線具有典型的三段特征，其應(yīng)力指數(shù)n值在6和9之間，對(duì)應(yīng)的蠕變變形機(jī)制是位錯(cuò)攀移控制。其在較高應(yīng)力（180MPa、230MPa和280MPa）下，激活能數(shù)值在316.6kJ/mol和571.7k J/mol之間，均高于Fe在a-Fe中自擴(kuò)散的激活能(239 kJ/mol)。
　　 采用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FESEM)及透射電子顯微鏡(TEM)分析研究了X12鋼蠕變?cè)囼?yàn)

3、前后的組織演變，發(fā)現(xiàn)了X12鋼中的Laves相在較短時(shí)間(200h)內(nèi)就有析出。主要分布在晶界和板條界（或亞晶界）上的Laves相為含有高密度層錯(cuò)的hcp C14結(jié)構(gòu)，其SAED花樣有典型的條紋特征。X12鋼中Laves相的早期析出受控于合金成分設(shè)計(jì)，是合金的本性，與熱處理制度的選擇關(guān)系不大。Laves相的形核和長(zhǎng)大動(dòng)力學(xué)方程符合Johnson-Mehl-Avrami關(guān)系式，其時(shí)間常數(shù)n為1.31。在X12鋼中觀察到了Laves相的兩種

4、形核和長(zhǎng)大機(jī)制：一種是單獨(dú)分布在晶界上，其與一晶界或板條界共格，然后向相鄰的與其沒(méi)有特殊位向關(guān)系的晶粒內(nèi)生長(zhǎng)；另一種是Laves相在毗鄰M23C6碳化物處形核，之后Laves相逐漸長(zhǎng)大，而其臨近的M23C6則保持穩(wěn)定或者逐漸減小。
　　 對(duì)X12鋼中Laves相的定量分析表明，溫度和時(shí)間是影響Laves相平均晶粒尺寸的主要因素，應(yīng)力和應(yīng)變對(duì)其影響較小。Laves相的平均晶粒尺寸隨溫度升高和蠕變時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，隨應(yīng)力或應(yīng)變的增加

5、而略有減小。
　　 X12鋼中的Laves相在持久時(shí)間10000h內(nèi)的粗化速率較慢；至約10000 h時(shí)其平均晶粒尺寸為207.1nm，因此，可認(rèn)為此時(shí)Laves相對(duì)持久強(qiáng)度的綜合作用仍是強(qiáng)化作用。
　　 M23C6型碳化物在600℃下長(zhǎng)期持久試驗(yàn)(t≤10000 h)后有明顯的聚集粗化，且蠕變應(yīng)變對(duì)其有加速作用。MX碳氮化合物則保持穩(wěn)定。
　　 通過(guò)慢速率高溫拉伸方法篩選出了兩種新型含Co鐵素體耐熱鋼：(1)5

6、75℃和600℃下，0.85Mo-1.5W-3.1Co合金；(2)625℃下：0.85Mo-1.5W-3.8Co合金。
　　 蠕變性能評(píng)估試驗(yàn)結(jié)果表明，600℃和625℃下，0.85Mo-l.5W-3.8Co合金優(yōu)于0.85Mo-l.5W-3.1Co合金，兩者均優(yōu)于X12鋼，而在650℃下則是0.85Mo-1.5W-3.8Co合金蠕變性能最優(yōu)，其次為X12鋼，0.85Mo-1.5W-3.1Co合金則最差。此試驗(yàn)結(jié)果與篩選結(jié)果基本

7、一致。0.85Mo-1.5W-3.8Co合金的應(yīng)力指數(shù)n為2.54，對(duì)應(yīng)位錯(cuò)粘滯滑移變形機(jī)制。0.85Mo-1.5W-3.1Co和0.85Mo-1.5W-3.SCo合金在180MPa作用下的蠕變激活能分別為481.8±108.4kJ/mol和312.1±32.8 kJ/mol，均高于Fe在a-Fe中自擴(kuò)散的激活能(239 kJ/mol)。
　　 兩種新型含Co鋼在600℃及650℃下的短期蠕變(≤400h)也觀察到了Laves相