超超临界锅炉过热器管材的高温组织稳定性及其改进研究
赵双群 。谢锡善
(I -It京科技大学高温合金研究室，北京100083；2 宁夏大学物理系，银川750021)
摘要 采用高温长期时效的方法研究了一种在700。C／375bar蒸气参数条件下作为过热器管材使用的镍基高温合金的组织稳定性，得出合金的组织不稳定性主要体现在7 的粗化、1相的形成和晶界G相的析出。进而采用Ther—mo—Calc理论计算和分析，提出了通过调整Al、Ti和si含量来改善组织稳定性的方法。
关键词 过热器管材镍基高温合金 组织稳定性 热力学计算 ．
High Temperature Structure Stability and Its Improvement on Superheater Tube M aterial for Ultra—supercritical Boilers ZHAO Shuangqun ’。XIE Xishan (1 High Temperature Materials Research Labs．，University of Science&Technology Beijing，Beijing 100083；2 Department of Physics，Ningxia University，Yinchuan 750021)Abstract This paper investigates high temperature structure stability of a nickel base superalloy which is expected to be employed as boiler superheater tubes at ultra—supercritical steam condition of 375 bar and 700。C．The main structure instabilities during thermal exposures include 7 coarsening，large fraction of rl formation and certain amount of G phase existence at grain boundaries．By means of Thermo—Calc and phase analyses，the improvement of structure stability of the alloy can be achieved by the adjustment of Al，Ti and Si contents in the alloy．Key words superheater，nickel—base superalloy，structure stability，thermodynamic calculation
提高火力发电站发电效率的有效途径是提高锅炉的蒸气参数(包括温度和压力)，世界上已经投运的超超临界机组中蒸气参数最高已达610~C／31Obar左右_】 。目前在高蒸气参数锅炉中使用的过热器／再热器管材至多为奥氏体钢，如TP304H、TP347H、Super304H、Tempaloy AA1和NF709等，它们能够适用的蒸气温度将不超过650。C 。。一。当未来超超临界电站蒸气参数达到700。C／375bar时，即使目前的一些镍基高温合金，如Ni—monic 80A、Nimonic 263、Inconel 617、CCA617、Inconel 690、In—conel 671和GH984等，也都不能满足新的超超临界蒸气参数电站锅炉过热器管子在高温强度和耐腐蚀方面的需求。美国Special Metals Corp．以Nimonic 263合金为基础，通过添加Nb元素以提高合金在长期使用过程中的高温持久强度，同时降低其化学组成中Mo元素的含量和提高Cr元素的含量以增强合金抗热腐蚀的能力，发展了一种新型镍基高温合金Inconel 740，以满足700。C／375bar蒸气条件下锅炉过热器管材的需求 一。本文研究了该合金在预期使用温度范围内长期时效过程中的组织稳定性．并提出了改善合金高温组织不稳定性的方法，获得了良好的预期效果。
1 研究方案
试验材料的化学组成(质量分数 )为：C 0．034，Cr 24．31，Co 19．63，Nb 1．83，Ti l．58，Al 0．75，Fe 1．O2．Mo 0．52，Si0．45，Mn 0．27，余量为Ni。合金经真空感应熔炼和真空电弧重熔．1204。C均匀化退火16h后在不低于1050。C的温度下热加工成直径为12mm 的圆棒，最后在1121。C的温度下固溶处理1h，水淬。长期时效分别在704、725和760。C下进行，时效时间分别为500、1000、2000和4000h扫描电镜样品用盐酸一甲醇溶液电解抛光、铬酐一磷酸一硫酸溶液电解浸蚀方法制取。采用物理化学相分析方法确定合金中析出相的质量分数。利用热力学相计算软件Thermo—Calc对合金的相平衡进行预测。
2 研究结果及讨论
2．1 组织稳定性研究
图1(a)和(b)是合金分别在704。C和725。C时效4000h的扫描电镜组织。可以看出，合金在704。C时效4000h后，晶内析出相经分析鉴定为均匀分布的7 相和随机分布的块状碳化物MC，晶界块状析出相主要为M z。Cs和富si的G相。在725。C时效4000h后，除了上述析出相外，在晶界处以及晶内都发现有条块状的Ni。Ti型 相析出，但 相的析出量很小。
图2(a)和(b)是合金在760。C分别时效500h和4000h的扫描电镜组织。析出相的种类与在725。C时效时相同，但最大的区别在于 相。试样在760。C时效500h后已经有不少 相析出，至时效4000h时，试样中 相的析出量很大，贯穿了整个晶粒，而且呈魏氏体状分布，在 相两边出现了明显的7 贫化现象。随时效温度的提高和时效时间的延长，7 颗粒的长大现象也比较明显。


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合金在760。C时效时晶界G相的析出量过大对力学性能不利。为此，需对G相的形成加以抑制。由于热力学数据库中不包含Si元素，故不能对G相的析出加以预测。因Si含量高时易形成G相．故抑制G相析出的有效方法是降低合金中的Si含量。
3 结论
(1)合金组织不稳定性的因素除了 相的粗化外，主要是1相的形成和晶界G相的析出。合金在725。(：以下具有较好的组织稳定性。760。C时的组织稳定性稍差，主要表现为合金在725。C以下长期时效时7 相的长大和1相的形成较慢，在760。C时效时7 相的长大和1相的形成较快以及G相析出量大为增加。
(2)改善合金组织稳定性的措施为提高7 的稳定性，延缓和消除1的形成以及抑制G相析出。通过增加AI／Ti比而适当提高Al含量、降低Ti含量，并压低si含量，可以提高改型合金在760。C的组织稳定性，二炉试验合金经760。C／2000h时效的结果证明，在保持 析出的良好强化状态下，抑制了1相的形成和晶界G 相的析出。
致谢：感谢美国Special Metals Corp．提供lnconel 740试料并对本课题的资助
参考文献
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