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9CrODS鐵素體系耐熱鋼熱處理的研究動向
發布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司www.jshcn.cn
更新時間：2015-11-11
9CrODS（Oxide Dispersion Strengthened：氧化物彌散強化）鐵素體鋼是指納米氧化物晶粒在馬氏體和鐵素體的雙相組織中彌散的高強度材料，它不僅可用作新一代快中子反應堆和核聚變反應堆的材料，而且可以用作新一代A-USC高溫材料。
? ?在耐熱材料中頻繁出現的“A-USC”一詞是指發電蒸汽溫度超過700℃的先進的超超臨界（Advanced-Ultra?Super?Critical）火力發電機組。
9CrODS（Oxide?Dispersion?Strengthened：氧化物彌散強化）鐵素體鋼是指納米氧化物晶粒在馬氏體和鐵素體的雙相組織中彌散的高強度材料，它不僅可用作新一代快中子反應堆和核聚變反應堆的材料，而且可以用作新一代A-USC高溫材料。因此，利用熱軋控制9CrODS鐵素體鋼的組織，并對700℃時的抗拉強度和蠕變強度進行了評價。
以前，為獲得有關Gr.91鋼伴隨蠕變的氫析出特性變化的基礎知識，采用加熱脫離分析法對蠕變斷裂材在氫加注后的氫析出曲線進行了測定。結果可知，雖然氫的析出特性完全不受加熱時效的影響，但因蠕變現象的不同會產生很大的變化。因此，在各種試驗條件下制作的蠕變斷續材中添加了氫，對伴隨蠕變發生（蠕變壽命消耗）的氫析出特性變化，尤其是蠕變試驗條件對這些氫析出特性變化的影響進行了系統的調查，并對基于氫析出特性變化的蠕變剩余壽命評價的可能性進行了研究。
隨著人們對能源資源和環保問題的關注度越來越大，作為確保未來電源的穩定輸送和電力的恒久供給的有效手段之一是煤炭火力發電。采用煤炭火力發電方式時，要特別重視耐熱鋼的蠕變特性。鐵素體系耐熱鋼主要用于煤炭火力發電設備的配管，由于其熱膨脹率低和價格便宜，因此比價格高的奧氏體系耐熱鋼更具有優勢，但由于鐵素體系耐熱鋼的蠕變強度較低，因此從提高發電設備熱交換率的觀點來看，必須做一些改進，推進鐵素體系耐熱鋼的研究開發。其中，含有W和B的9%Cr-1.8%WNbVNB鋼（ASME?Gr.92鋼：下稱“Gr.92鋼”）即使在600℃的高溫蒸汽下，也具有良好的蠕變強度，在美國和日本已制定了Gr.92鋼的標準，并應用于實際。今后為能在更高的蒸汽條件下采用高溫高壓方式進行高效發電，必須徹底弄清提高蠕變斷裂強度的因素，確立材料的設計方針。
改進后的9Cr-1Mo鋼具有良好的蠕變特性，是制作超超臨界壓力火力發電設備的主蒸汽管和集管不可或缺的材料，因此已被廣泛采用。最近，Kimura等人對9Cr-1Mo鋼的蠕變強度受加熱溫差影響的原因進行了調查，發現在初期組織中存在鐵素體相的情況下，蠕變斷裂強度會明顯下降。因此，為弄清該鋼組織中相殘余的原因，對相的組織形態和溶化行為進行了調查，并對其形成的過程進行了研究。
有研究報告指出，如果增加高Cr鋼的Cr添加量，在蠕變或時效過程中會促使作為復合氮化物的Z相的析出，因此12Cr鋼的長時間蠕變強度會明顯下降。還有的研究報告指出，在高Cr鋼中除了添加Cr外，還添加了許多的元素，例如添加Co會促進Z相的析出。即使是相同的鋼種，有時在標準范圍內添加微量元素的量是不同的，因此研究Z相的析出行為會受加熱溫差的影響是很重要的。而且，有關Z相析出行為的調查，有的是對不同的時效材進行調查，有的是對不同的斷裂材進行調查，有關蠕變變形或應力對Z相析出的影響并不明確。因此，有研究報告就ASME?Cr91鋼的蠕變變形對不同加熱溫差的Z相析出行為的影響進行了調查。
從鐵素體系耐熱鋼焊接接頭母材和焊接金屬來看，伴隨著小線輸入能量的多道次焊接時的熱滯后，會形成局部恢復的熱影響區（HAZ），其組織變化與焊接熱循環時的最高溫度和熱循環數有關。其中，在焊接接合面和母材之間形成的HAZ細晶粒組織不穩定，混在該組織中的微細晶粒是控制Ⅳ型損傷的因素之一。因此，許多人提出了從HAZ細晶粒區域的形成過程到抑制晶粒細化的合金設計方案的想法。另一方面，雖然有時與母材相同的焊接金屬也會形成HAZ，但其形成過程尚不明確。因此，有研究者使用能再現模擬HAZ的焊接熱處理材，調查了母材和焊接金屬的HAZ形成過程的差異。
高Cr鐵素體系耐熱鋼的最大問題是Ⅳ型損傷會導致接頭的長時間蠕變斷裂壽命明顯下降。以往，對Ⅳ型損傷的發生機理進行了研究，指出在HAZ細晶粒區域的原始晶界和塊狀界面中，造成晶界強化不足的主要因素是M23C6。另外，當母材中的B添加量為100ppm時，在焊接熱循環時由于剪斷型的逆相變，因此會再現原始組織，在其晶界和塊狀界面上，由于M23C6會充分析出，因此可以防止Ⅳ型損傷的發生。但是，在原始晶界附近，有微細的原始殘余，擔心它會影響蠕變特性。因此，有研究報告就微細的原始組織對蠕變特性的影響進行了調查。
高鉻鐵素體耐熱鋼廣泛用作超超臨界火力發電機組的高溫結構部件材，為機組的高效發電做出了巨大的貢獻。但是，由于存在著長時間蠕變強度下降和熔接部強度下降的問題，因此SHC委員會于2004年和2005年對長時間蠕變強度進行了評價，并對允許的抗拉應力進行了重新認識，同時對焊接接頭強度的下降系數和蠕變壽命的評價方式進行了研究。
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