回火热处理对T91耐热钢持久性能的影响及持久过程中的微观组织

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上海交通大学硕士学位论文回火热处理对T91耐热钢持久性能的影响及持久过程中的微观组织演变姓名:杨成玉申请学位级别:硕士专业:材料学指导教师:王起江;张澜庭20090201ABSTRACT回火热处理对T91耐热钢持久性能的影响及持久过程中的微观组织演变摘要T91(10Cr9Mo1VNb)铁素体耐热钢是制造超超临界火力发电机组的重要材料,其使用温度不超过620ºC。T91铁素体耐热钢用于制造超超临界火力发电机组的锅炉本体、过热器和再热器,其使用温度不超过600ºC。高温设备通常根据105h蠕变断裂强度计算的允许应力进行设计,并可使用数十年。但是,昀近一部分高Cr铁素体耐热钢在高温使用过程中蠕变强度急剧下降,出现了意料之外的早期断裂现象,因此迫切希望弄清早期断裂的机理,并考虑从热处理制度上加以控制。本文考察了热处理制度对T91耐热钢组织及持久性能的影响,并对长时高温持久过程中组织演变特别是析出相进行了研究。通过对不同回火时间得到的样品在不同应力下进行持久,分别研究其组织、形貌和亚结构,采用了碳复型,X射线能谱(EDS)技术,并对主要相的成分、尺寸、分布进行定量统计。发现:对T91而言,较长的回火时间能够带来形核位置的增加,有利于Laves相在低应力下长时持久的后续析出,从而带来M23C6的细化,有助于保持长时持久强度。但是在更长的时间内,要考虑到Laves相增大增多可能造成的危害,以及与M23C6细化带来的强化作用的综合效应,需对显微组织演变进行进一步的观察。高温持久过程中的组织演变研究中,在600℃长期持久试样中,发ABSTRACT现有成分与Z相接近的粒子存在,而在650℃长时持久样中,发现M2X粒子的粗大化。但是即使在600℃下持久14185.15h的昀长时样品中,以及在更高温度650℃下持久12453.3h的样品中,仍然没有发现Z相的存在。这说明Z相的形成,可能需要更长的持久时间。M2X粒子的粗大化,以及某些成分与Z相接近的小粒子,表明Z相粒子可能正在形成。关键词:回火时间,持久,Laves相,M23C6ABSTRACTABSTRACTInordertoensurethelong-termstabilizationofthesteampowerplant,andtoreducethereleaseofCO2,thedevelopmentofheatresistantsteelsforultra-supercriticalpowerplantisratherimportant.T91isonekindofheatresistantsteelwhichshowsexcellentperformanceandhasbeensuccessfullyusedworldwide.Componentsworkingathightemperaturesareusuallydesignedaccordingtotheallowablestresscalculatedbasedonthe105hourscreepstrength,andcanbeusedformorethan10years.However,asharpdecreaseinrupturestrengthhasrecentlybeenobservedinsomehighCrcontainingferriticheatresistantsteelsafterlongtermexposureathightemperature,whichisunexpectedinearlyunderstanding.Thereforeitisnecessarytoclarifythemechanismforthisearlyruptureandtofindoutanappropriateprocessingtoovercomethisproblem.Inthisthesis,theeffectoftemperingtimeonthemicrostructureandrupturepropertiesofT91steelhasbeeninvestigated.Themicrostructureevolutionespeciallytheprecipitatesduringlong-termrupturehasbeenstudied.T91steelwassubjecttotemperingat780oCfordifferentperiodoftimeandtherupturelifeat625oCunderdifferentstresseswasrecorded.Microstructuresofthespecimensbeforeandafterrupturewereobservedundertransmissionmicroscope(TEM)usingthinfoilsaswellascarbonreplica.CompositionoftheprecipitateswasdeterminedbyenergydispersiveX-rayspectroscopyonTEM.Sizeanddistributionoftheprecipitateswereanalyzedquantitatively.ForT91,alongtemperingtimeincreasestheamountofnucleisitesofLavesphaseandpromotestheprecipitationofLavesphase.ThusthesizeofM23C6isdecreasedandisbeneficialtokeeprupturestrength.Forevenlongerterm,theintegrativeABSTRACTimpactofboththecoarseningofLavesphaseandthestrengtheningeffectfromrefinementofM23C6shouldbetakenintoconsideration.Inthespecimenscreptformorethan10,000hat600oC,particleswithsimilarmetalliccompositiontotheZphasehavebeenfound.TheM2Xparticleshavecoarsenedobviouslyinthespecimenscreptat650oC.However,eveninthelongestcreptspecimens(14185.15hat600oCand12453.3hat650oC),noZphasecouldbeindentified.WhileZphase’sformationrequiresanevenlongerexposuretime,thecoarseningofM2XparticlesandtheparticleswithasimilarcompositiontoZphasewereobserved.ThismightindicatethattheformationofZphaseispossiblyinprogress.Keywords:temperingtime,creep,Lavesphase,M23C6上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名:杨成玉日期:年月日上海交通大学硕士学位论文第一章绪论第3页第一章绪论1.1引言1.1.1超超临界发电技术电力是安全、高效、清洁的二次能源,在国民经济中起着举足轻重的作用。特别是在21世纪将是中国经济快速、稳定、持续发展的时期,经济的发展需要能源工业尤其是电力工业有相应的发展,预计到2020年我国发电总装机容量将达到11.86亿千瓦,超过美国跃居世界第一。但是由于我国在一次能源结构中以煤为主,燃煤电机组装机容量仍将占70%以上。发展燃煤发电机组,必将带来巨大的环境压力,因此,为了节约能源,减少CO2排放量,满足环境保护的要求,大容量、高参数(高温、高压)超超临界机组代表了未来电站锅炉发展的趋势。同时随着超超临界机组的发展也必将带动和迫切需要高压锅炉管新产品的发展[1][2]。国际上通常把主蒸汽压力在28MPa以上或主汽、再热汽温在580°C以上的机组定义为超超临界机组[3],按主蒸汽出口压力分类,压力大于22.0Mpa为超临界压力锅炉[4]。(详见表1-1)。大容量、高参数的超临界机组、超超临界机组代表了未来电站锅炉发展的趋势。如日本在1995年就已将火电机组的主蒸汽参数提高到593°C、压力31MPa[5],欧洲也将在目前超超临界机组主蒸汽参数600°C、压力30MPa的基础上,进一步发展超超临界机组,并计划在2012年建成主蒸汽参数700°C、压力37.5MPa的超超临界机组,美国的目标则更高。我国也不例外,自从1955年我国生产出第一台6MW火电机组,主蒸汽温度450°C、压力3.82MPa以来,经过50多年的不懈努力,也将火电机组的主蒸汽参数提高到600°C、压力26.5MPa,图1-1展示了我国火电机组蒸汽参数变化趋势,如图1-1所示,我国仅用两年,就从超临界迈向了超超临界。采用超超临界机组配烟气净化装置已是优化煤电结构的主要方向[6]。预计在未来10年左右,我国火电机组蒸汽参数还将从目前600°C、26.5MPa提高到630~650°C、30MPa,甚至更高。预计到2010年,我国超超临界机组水平将达到或接近国际先进水平。上海交通大学硕士学位论文第一章绪论第4页表1-1锅炉的种类和参数[1]Table1-1Speciesandparametersofboilers[1]炉型出口压力(MPa)出口温度(°C)机组容量(MW)额定蒸发量(t/h)用途低压锅炉≤2.45≤4001.5~3工业锅炉中压锅炉2.94~4.94506~5035~130工业、电站、热电站锅炉高压锅炉5.9~9.854025~100110~410电站、热电站锅炉超高压锅炉11.8~14.7540125~200420~670电站锅炉亚临界锅炉15.7~19.6540/555300~6001025~2008电站锅炉超临界锅炉≥22538/566300~6001025~2008电站锅炉超超临界锅炉≥28≥580≥3001025~2889电站锅炉图1-1中国火电机组蒸汽参数发展趋势[2]Fig.1-1Developmentcurrentofsteamparametersforthermalpowergeneratingunits[2]超超临界超临界亚临界超高压高压超超临界超临界亚临界超高压高压上海交通大学硕士学位论文第一章绪论第5页1.1.2超超临界火电机组锅炉管用耐热钢的基本要求耐热钢在高温下表现出不同于常温的复杂行为[7],由于耐热钢工作环境的特点,在耐热钢的应用中应特别重视其可靠性和安全性,如电站锅炉中的耐热钢在高温、高压和蒸汽腐蚀中长期工作,管壁温度比蒸汽温度高50°C左右,在这样的环境下长期运行,钢材的组织和性能将会发生变化。这些变化可能使金属的高温性能明显恶化,影响设备运行的安全性。这一切要求超高临界压发电厂锅炉管用耐热钢应具有以下优良的性能[7]匹配:(1)高温性能优异的高温持久强度,抗蠕变性能,良好的高温组织稳定性;(2)化学性能良好的高温抗氧化性能,抗蒸汽腐蚀性能;(3)常温力学性能高的抗拉强度和屈服强度,良好的冲击韧性;(4)工艺性能优良的热加工性能、焊接性能及热弯曲性能;(5)物理性能低热膨胀系数和良好导热性;(6)良好的经济性能。1.1.3超超临界电站锅炉用关键材料毋庸置疑,超超临界机组的发展是以材料的发展为基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