P92钢中Laves析出相演化规律研究

2021-01-20 09:33王志成叶有俊王一宁张鹏鹏巩建鸣
石油化工设备 2021年1期
关键词:等温服役时效

王志成,叶有俊,王一宁,姜 勇,张鹏鹏,巩建鸣

(1.江苏省特种设备安全监督检验研究院,江苏 南京 210036;2.南京工业大学 机械与动力工程学院,江苏 南京 211816)

近年来国内外大力推进节能减排,促进了超超临界发电技术的开发及其应用研究[1]。新材料P92钢(9Cr-0.5Mo-1.8W-V-Nb)是超超临界发电机组厚壁部件首选用钢之一,其类型为马氏体耐热钢,性能方面的特点是蠕变强度高、抗氧化性能优、导热系数高、热膨胀系数低而且可抗应力腐蚀开裂[2-4]。

P92钢的性能会随着服役时间的增加逐渐劣化,同时P92钢在服役过程中会析出M23C6相、MX相、Laves相以及Z相等第二相。有研究表明,第二相的析出是影响材料析出强化的重要因素,其中Laves相的析出主要在原奥氏体晶界以及亚晶界处。Laves相形成初期的尺寸较小,能够在晶界处形成钉扎作用,这种作用有提高材料蠕变强度的效果。但Laves相也会消耗材料基体中的W元素和Mo元素而变得粗大,随着P92钢服役时间的延长,Laves相将造成固溶强化的下降,使材料的蠕变强度下降。Jae Seung Lee等[5]通过蠕变试验研究发现,应力能够增强原子的扩散,加速Laves相形核,因而对于Laves相的形成具有促进作用。此外,Laves相颗粒经过聚集和粗化后,当尺寸增加到一定程度时会诱发蠕变孔洞的形核。文中进行了P92钢的等温时效试验和恒载荷蠕变间断试验,从数量、尺寸等方面研究服役时间对Laves相析出的影响。

1 试验材料和方法

试验用P92钢管为Ø390 mm×70 mm的主蒸汽管新材料。主蒸汽管实际操作压力为26 MPa,操作温度为600℃。P92钢管元素组成见表1。

表1 P92钢管元素组成 %

2 P92钢等温时效计算

材料劣化需要经历一个漫长的服役过程,按照实际工况获取用于研究的劣化材料非常费时。为了加快研究进程,采用等温时效试验和蠕变加速试验获得所需要的研究材料。

2.1 计算原理

2.1.1 回火参数

在上世纪 50 年代,Holloman 和 Jaffe[6]等研究了回火温度和时间对于碳钢回火硬度的影响,提出了以下的回火参数经验计算公式。

式中,HT为回火后的硬度;PT为回火参数;T为回火温度,K;C为与材料成分有关的参数,对于P92钢,C 取 20[7]; tT为回火时间,h。

2.1.2 热强参数

Larson-Miller[8]研究了金属材料在高温、高压环境中长期服役受到的温度与时间的综合影响,在回火硬度经验计算式的基础上提出了热强参数及其经验计算公式。

式中,Pσ为Larson-Miller参数;T'为蠕变试验温度,K; t为蠕变试验时间,h。

2.1.3 时效公式

式(2)与式(3)在使用上有区别,PT仅用于钢的回火计算,而Pσ则用于钢在高温条件下的蠕变计算等。研究表明[9-16],不同温度和时间下的时效及蠕变试验可以通过式(4)进行统一。

式中,T1为材料的试验温度,T2为材料的服役温度,K。t1为材料的试验时间,t2为材料的服役时间,h。

2.2 计算结果

P92钢劣化试验采用650℃等温时效处理模拟600℃的实际服役工况,使用式(4)计算实际服役时间对应的加速试验时效时间,结果见表2。

表2 P92钢650℃等温时效对应的600℃实际工况服役时间 h

3 P92钢恒载荷蠕变试验

在650℃条件下进行P92钢试样的90 MPa恒载荷蠕变试验,得到了试验条件下P92钢的蠕变曲线(图 1)和蠕变试验时间分别为 200、500、1 000、2 000、3 000以及 5 000 h的服役后样品。由图1可知,P92钢的断裂时间约为6 000 h,该条件下蠕变可以分为3个阶段,第一阶段持续时间非常短,第二阶段蠕变速率较为稳定,第三阶段蠕变速率不断增加。

图1 650℃及90 MPa下P92钢试验蠕变曲线

4 蠕变试验后P92钢扫描电镜分析

对650℃、90 MPa条件下恒载荷蠕变试验得到的P92钢试样进行扫描电镜背散射电子像观察,得到的微观组织形貌结果见图2。图2中可观察到呈明亮和灰色分布的2种类型的析出物,在图上各选一个代表分别标记为A析出物和B析出物。

图2 蠕变试验后P92钢试样电镜扫描电子图像(1 000×)

对A析出物和B析出物分别进行EDS能谱分析,得到的能谱分析图见图3和图4。

图3 蠕变试验后P92钢试样中A析出物EDS能谱图

图4 蠕变试验后P92钢试样中B析出物EDS能谱图

图3显示,A析出相富含W和Mo元素;图4显示,B析出相富含Cr元素。 有研究表明[17-18],P92钢中这种出现在材料中的相对明亮的析出相为Laves相,相对较暗的颗粒物对应的析出相为MX相和M23C6相。采用SEM面扫技术对650℃、90 MPa条件下恒载荷蠕变试验得到的P92钢试样中的A析出物进行检测,进一步验证了明亮析出相中富含W以及Mo元素,即为Laves相。

5 不同试验条件下P92钢Laves析出相演化规律

5.1 等温时效试验条件下

进行650℃等温条件下,时效时间为500、1 000、2 000、5 000、8 000、11 000 h 的 P92 钢试样等温时效试验,对得到的P92钢试样背散射扫描电镜图像进行二值化处理,结果见图5~图10。

图5 650℃时效500 h后P92钢试样Laves相二值化处理图

图6 650℃时效1 000 h后P92钢试样Laves相二值化处理图

图7 650℃时效2 000 h后P92钢试样Laves相二值化处理图

图8 650℃时效5 000 h后P92钢试样Laves相二值化处理图

图9 650℃时效8 000 h后P92钢试样Laves相二值化处理图

图10 650℃时效11 000 h后P92钢试样Laves相二值化处理图

为保证测量值的准确度,在每个P92钢试样的Laves相二值化处理图上选取15个区域,利用Image J软件对选取区域中Laves相颗粒的数量、平均尺寸以及面积占比进行统计并取平均值,绘制成等温时效条件下的Laves相演变规律曲线,见图11~图13。

图11 等温时效试验P92钢Laves相颗粒平均数量与时效时间关系

图12 等温时效试验P92钢Laves相颗粒平均尺寸与时效时间关系

图13 等温时效试验P92钢Laves相颗粒平均面积占比与时效时间关系

图11和图12显示,时效时间3 000 h前,Laves相颗粒平均数量和平均尺寸均呈快速增加趋势;时效时间达到3 000 h后,Laves相颗粒数量开始呈现下降趋势,但相颗粒平均尺寸依然在不断增加,最终在时效时间达到8 000 h以后基本稳定。

图13显示,面积占比在时效时间2 000 h以内同样呈现快速增加的趋势,但当时效时间达到3 000 h以后,其变化量较小。

分析图11~图13显示的量化趋势,得到的P92钢Laves析出相演化规律为,P92钢在时效试验初期,Laves相从基体中快速析出,其颗粒数量、平均尺寸以及总面积占比快速增大;随着时效时间的不断增加,Laves相趋于饱和,开始不断地聚集和粗化,其数量开始减少而尺寸依然不断增大;当时效时间达到8 000 h以后,Laves相已经发生严重粗化。

5.2 恒载荷蠕变间断试验条件下

对650℃、90 MPa条件下,蠕变间断时间为200、500、1 000、2 000、3 000、5 000 h 的 P92 钢试样的背散射扫描电镜图像进行二值化处理,结果见图14~图19。

图14 200 h蠕变间断试验后P92钢试样Laves相二值化处理图

图15 500 h蠕变间断试验后P92钢试样Laves相二值化处理图

图16 1 000 h蠕变间断试验后P92钢试样Laves相二值化处理图

图17 2 000 h蠕变间断试验后P92钢试样Laves相二值化处理图

图18 3 000 h蠕变间断试验后P92钢试样Laves相二值化处理图

图19 5 000 h蠕变间断试验后P92钢试样Laves相二值化处理图

为保证测量值的准确度,在每个P92钢试样的Laves相二值化处理图上选取15个区域,利用Image J软件对选取区域中Laves相颗粒的数量、平均尺寸以及面积占比进行统计并取平均值,绘制成等温时效条件下的Laves相演变规律曲线,见图20~图22。

图21 蠕变间断试验P92钢Laves相颗粒平均尺寸与蠕变时间关系

图22 蠕变间断试验P92钢Laves相颗粒平均面积占比与蠕变时间关系

图20~图22显示出与图11~图13相似的变化趋势,Laves相在蠕变时间达到200 h时已经快速析出,其数量在蠕变初期快速增加,后逐渐减少。平均尺寸以及总面积占比在整个蠕变过程中一直保持上升趋势。

5.3 演化规律对比

综合分析时效试验(图11~图13)和蠕变间段试验(图20~图22)结果可知,Laves相在蠕变条件下开始析出时间有所提前,约200 h即可明显观察到其存在。相同试验时间下,蠕变试样中Laves相的数量以及总面积占比等均高于时效试验试样中的数值,由此可知应力对于Laves相的析出具有一定的促进作用。

6 结论

基于文中2种钢材试验方法及试验后P92钢试样的微观分析及探讨,研究了P92钢中Laves析出相的演化规律,得到如下的结论。

(1)Laves相富含W元素和Mo元素,其主要形式为 A2B,其中 A为 Fe、Cr等元素,B为 Mo、W等元素,随着试验时间的延长不断析出及粗化。

(2)Laves相颗粒受时间影响显著,试验初期其尺寸、数量以及面积占比快速增加。随着时间的延长,Laves相渐趋饱和,并开始不断聚集和粗化,表现为数量的小幅下降。粗化程度进一步加重时,其总体含量基本保持不变。

(3)在相同温度与时间条件下,蠕变试样中Laves相颗粒数量与面积占比均高于时效试样的测量值,因此应力在一定程度上能促进Laves相的析出与粗化。

猜你喜欢
等温服役时效
烟灶超限“服役”不可取换新升级大品牌不容错过
7B04铝合金特殊用途板材的热处理技术研究
预时效对6005A铝合金自然时效及人工时效性能的影响
汽车用低合金钢的索氏体化与组织性能研究
水下智能清洗机器人“服役”
奥氏体等温淬火工艺对冷轧高强钢扩孔性能的影响
SUS630不锈钢
一种非调质钢组织转变及性能的研究
低Cu含量Al-Mg-Si-Cu合金的T78双级时效
用于汽车动力总成的等温淬火材料