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锅炉用奥氏体热强钢武汉大学章应霖细晶强韧型的铁素体热强钢在550-600℃温度区间具有高达100Mpa以上的蠕变断裂强度，个别新研制的钢（如NF12）在600-650℃温度范围内还可以有100-200Mpa的蠕变断裂强度。这是迄今为止所有奥氏体不锈钢所不可比的。但是奥氏体不锈钢蠕变断裂强度随温度升高而降低的速度远低于铁素体钢。如图1。因此很早就有人把原来用以抗腐蚀的18-8不锈钢当做热强钢来使用，把它用来制作管壁温度高于580℃部分的过热器、再热器。可是18-8不锈钢虽然它的热强性稳定,抗腐蚀和抗氧化性优良,但其蠕变断裂强度水平还是太低。若用它制作蒸汽管道和集箱,其壁厚就会很厚。此时，18-8不锈钢导热性差、线膨胀系数大、对应力腐蚀和热疲劳敏感等缺点就会暴露出来，使这种材料被限制只能使用于薄壁构件，不得用于制作厚壁构件。因此为了使用这种材料，人们一开始就在努力提高它抗晶间腐蚀能力的同时也注意研究提高它的强度。研究表明，利用Ti、Nb、Mo等碳化物形成元素形成的稳定碳化物固溶，然后在时效时使它们在晶内弥散析出，不仅改善了抗晶间腐蚀能力，也提高了强度,如表1[1]。但这个强度水平还是不够高。用表1中的Cr18Ni12Mo3Ti（相当于AISI316）钢制作蒸汽温度650℃、压力为34Mpa的300MW机组其主蒸汽管的壁厚还需要图1几种钢的许用应力比较表1钢种抗拉强度kg/mm220℃600℃0.1%/103h蠕变极限kg/mm2600℃650℃105h持久强度kg/mm2600℃650℃Cr18Ni9≥559.87.0Cr18Ni11Nb≥614513.47.3517.557.7Cr18Ni12Mo3Ti6048.514.610.011.2厚达185毫米。这样的应用事例证明是不成功的。(见第三章第1节)。因此，在奥氏体热强钢领域中，总是在不断地探索提高其蠕变断裂强度的途径。尽管在上世纪的90年代以前，研究奥氏体热强钢的投入力度远不如对铁素体热强钢的研究那样大。但多年的研究表明，除了Ti、Nb、Mo等碳化物形成元素形成的稳定碳化物固溶后在晶内时效析出可以提高强度以外，还有多种多样的脱溶沉淀现象也可以利用来提高强度：元素Ti、Nb、Mo、Cr等，除了形成碳化物以外，它们还促使析出金属间化合物（χ、η等相）。而Ni、C等元素有促使M23C6PDF文件使用pdfFactory试用版本创建沉淀的作用；元素Nb、Mo则会促使M23C6转变成M6C[（Fe，Cr）3Nb3C]型金属间化合物[2]。沿着这些研究结果的思路，利用多种多样的脱溶沉淀现象近年来开发了一些新的高温蠕变强度较高的奥氏体热强钢。图表1列出了奥氏体热强钢的发展概况。图表1中迄今在火电站用得较多的是600℃105小时蠕变断裂强度为100-120Mpa的HGrade,其中尤其是AISI304H、AISI347H、AISI316H用得最广泛。上世纪的90年代以后，在原来HGrade奥氏体热强钢的基础上发展了图表1右上角的Super304H、ASME347HFG、TempaloyA-1、在原来Alloy800的基础上发展了NF709、TempaloyA-3、20Cr-25Ni-1.5Mo-Nb-Ti-N。在原来AISI310的基础上发展了15Cr-20NiNbN（HR3C）。这些钢的强度又明显提高了一步。图表1奥氏体热强钢的发展进程本章将分别讨论Super304H、ASME347HFG、20Cr25Ni1.5MoNbTiN和25Cr-20NiNbN（HR3C）钢的强化途径、性能特点和工艺性。1，ASMETP347HFG钢的细晶化及其力学性能和焊接性细晶ASME347HFG钢是20世纪80年代日本住友公司开发的奥氏体热强钢。这种钢被推荐使用于蒸汽温度为566℃、压力为316kgf/cm2的过热器和再热器管道。具有优异的抗整体腐蚀的特性，同时具有较高的蠕变断裂强度，其许用应力允许高于ASME规范规定的20%。1．1开发ASME347HFG钢的背景在蒸汽温度566℃工作的过热器和再热器管道，不仅需要具备足够高的高温强度，而且还需要具备优良的抗高温腐蚀和抗高温蒸汽腐蚀的性能。采用高温度的固溶处理（1150-1200℃）使钢中已经析出的第二相尽可能充分地固溶，然后在时效过程中析出弥散而细小的沉淀相是获取高强度的手段。TP347H在采用1150-1200℃固溶处理的供货状态下其600℃105小时的蠕变断裂强度为132-157Mpa。但是TP347H的蠕变断裂强度对固溶处理温度相当敏感，降低固溶处理温度会使它的蠕变断裂强度明显降低。表1.1列出了不同固溶处理温度下的蠕变断裂强度和相应的晶粒度。提高固溶处理温度能明显提高蠕变断裂强度，同时也明显地使晶粒长大。PDF文件使用pdfFactory试用版本创建奥氏体不锈钢中最好的钢，可是抗高温蒸汽腐蚀的性能还希望进一步提高。因为高温蒸汽腐蚀所形成的腐蚀产物在构件加热-冷却循环中往往会从管壁脱落，它们容易堵塞在管道的弯曲处而造成管子超温。此外这种腐蚀产物表1.1TP347H钢不同固溶处理温度下的蠕变断裂强度和相应的晶粒度固溶处理温度℃593℃105小时蠕变断裂强度Mpa晶粒度（级）1150-12001593-510371184-69271108的碎片若被蒸汽带到气轮机将给透平带来严重的浸蚀损伤。研究表明，为了提高抗高温蒸汽腐蚀的能力，需要细化钢材的晶粒。晶粒细化以后有利于Cr穿过晶界向表面扩散形成致密的Cr2O3保护层而防止被蒸汽氧化。可是高的固溶处理温度会导致形成粗大的晶粒度。较低的固溶处理温度可以获得较细小的晶粒，但会明显损失高温强度。可见抗高温蒸汽腐蚀的性能和高温强度两者对工艺的要求是矛盾的。ASME347HFG钢就是既保持着原来粗晶粒状态下的高的蠕变断裂强度，又具有细小的晶粒，从而具备了更优良的抗高温蒸汽腐蚀性能。1．2ASME347HFG和TP347H钢管的不同制作工艺表1.2列出了TP347H钢的标准成分和实际成分。钢ASME347HFG的成分和钢TP347H的相同。通常这种钢在电炉冶炼以后到成材经过的工艺为：热轧→软化处理→冷拔→固溶处理。钢坯经过一定变形量的热轧加工以后，形变的奥氏体被形变硬化，为了进一步加工必须作软化处理。软化处理是把形变硬化了的材料加热到其再结晶温度以上，使形变了的奥氏体充分再结晶，同时也使大部分在热轧过程中析出的M23C6溶解，使钢材恢复到柔软易加工的状态。通常软化处理的温度在900-1000℃之间。软化处理后的钢材经过冷拔最后成材，但此时钢材一方面又被冷作硬化，一方面在冷拔过程中还会有一定数量的第二相质点析出，这些都是不利于提高抗高温蒸汽腐蚀性能和提高高温蠕变断裂强度的，因此最后还必须进行固溶处理。固溶处理的目的在于使所有析出了的第二相质点尽可能重新固溶到基体中去，让它们在以后的运行过程中缓慢的弥散的析出。欲令已经析出的M23C6全部重新固溶是较容易做到的，因为M23C6型碳化物被加热到850-900℃并保温一定时间就可以充分溶解，可是NbC类的MC型碳化物就很不容易溶解。图1.1为NbC在16.8Cr-13.25Ni-0.07C-0.9Nb钢γ相中的溶解度[2]。表1.2TP347H钢的标准成分和实际成分wt%CSiMnPSNiCrNbASMESA-213TP347H0.04-0.10≤0.75≤2.0≤0.040≤0.0309.00-13.0017.00-20.00Nb+Ta≥8×C%～1.0实际成分0.07-0.090.49-0.621.46-1.730.020-0.0260.001-0.00711.3-12.5517.50-18.650.72-0.97PDF文件使用pdfFactory试用版本创建中的大部分溶解需要加热到1200-1300℃这样很高的温度才行。这就是为什么为了提高奥氏体不锈钢的高温强度，需要尽量提高固溶处理温度的原因。可是正如1.1节所述1200-1300℃这样高温度的固溶处理后晶粒必然长得很大，使抗高温蒸汽腐蚀性能恶化。此外还考虑到很高的固溶处理温度实施起来有困难，ASME和ASTM规范规定了个折衷的固溶处理温度：1050-1150℃。在这样的温度下原来已经析出的NbC只能有一小部分溶解,另一部分没有溶解的NbC将以较粗大的颗粒存在在钢中。它的存在阻碍了蠕变断裂强度的提高。归纳以上的工艺过程可以把制作TP347H钢的传统工艺表示于图1.2a。PDF文件使用pdfFactory试用版本创建工艺过程综上所述，用提高固溶处理温度的方法来提高蠕变断裂强度将由于晶粒粗大而损害抗高温蒸汽腐蚀性能，是不可采取的工艺。为了使钢既具有较细小的晶粒，又可避免冷拔以后仍有大颗粒的NbC析出相残存在钢中，就要寻求另一工艺过程。TP347H钢坯被加热到热轧温度和经受热轧加工变形，使NbC在γ相形变面上析出和长大，随后在热轧后的软化处理过程中又进一步长大，使钢材在固溶处理前就有众多大颗粒的NbC析出相。如果大幅度提高软化处理的温度（若提高到1200-1300℃，如图1.1可使5-6%的Nb固溶），使热轧过程析出的NbC充分固溶，那么由于冷拔过程毕竟温度较低，而且在冷拔形变发热的温度下仃留的时间短，冷拔以后不会有很多已经析出的NbC，更不会有很多大颗粒的NbC。也就是说,在固溶处理前钢材中合金元素Nb的大部分仍留在基体中，以析出相形式存在的NbC少，大颗粒的NbC就更少。析出和固溶两者是一对受相应平衡常数控制的可逆过程,在传统的工艺过程中,冷拔后的钢材积累了热轧、较低温度下的软化处理以及冷拔三个过程中析出的第二相质点。在这样的条件下进行固溶处理主要发生的的确是第二相的固溶，其中M23C6会全部固溶，而前面三个过程中积累下来的NbC虽然也会有一些固溶（视固溶处理的温度而定），但固溶的比例不会很高，除非采用了极高的固溶处理温度。在大幅度提高软化处理温度的情况下冷拔后的钢材积累的析出物很少，除了M23C6型碳化物在被加热到1050-1150℃的过程中完全固溶外，原先在高温软化处理时被固溶的Nb却有了机会以弥散细小的NbC形式析出。这样析出的NbC既限制了晶粒长大，又有利于提高蠕变断裂强度。图1.3是住友公司的试验结果。图1.2b归纳了大幅度提高软化处理温度的新工艺过程。比较图1.2中的a和b可以体会到大幅度提高软化处理温度的重要作用。图1.3表示两种不同工艺所得到的最终组织。图1.4是两种工艺所得到的NbC颗粒和分布。大幅度提高软化处理温度、不降低原来的固溶处理温度的新工艺不仅得到的晶粒明显比传统工艺的细小，而且得到的NbC的分布和颗粒也明显比传统工艺的弥散和细小。PDF文件使用pdfFactory试用版本创建．3ASME347HFG的力学性能和抗高温腐蚀性能表1.3列出了一些国家TP347H钢的标准成分,ASME347HFG钢的成分完全落在这些标准的范围内。日本住友公司详细地比较了ASME347HFG和TP347H两种钢的各项力学性能和抗高温腐蚀性能[3]。图1.5-图1.8表示两种钢的短时拉伸性能和各种高温长时性能的比较，从这些比较中说明两者在这些性能方面看不出明显的差别，其中347HFG钢的蠕变速率比TP347H钢略高些，但其蠕变断裂塑性略优于TP347H钢。图1.9比较了两种钢的的时效倾向也没有看到明显的差别。两种钢都在650-800℃经过1000小时时效就会发生冲击值明显降低的倾向，但继续时效韧性不再继续恶化，0℃的冲击值仍能稳定在98J/cm2水平。表1