含9 ~ 12% 鉻的馬氏體鋼是用來制作用于超超臨界蒸汽工況下新型高效電廠關(guān)鍵部件的理想材料。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，在鋼中加入0.2%錸，能夠提高鋼材在650 ℃溫度下的短期蠕變強(qiáng)度。通過對(duì)比不同高鉻馬氏體鋼基體中鎢的耗損動(dòng)力學(xué)，實(shí)驗(yàn)表明，在650 ℃時(shí)效和蠕變過程中，10Cr-3Co-3W-0.2Re鋼中加入錸并不會(huì)導(dǎo)致鐵素體基體中留有更多溶質(zhì)鎢，同時(shí)，會(huì)析出優(yōu)異的金屬間化合物相，能夠有效強(qiáng)化顆粒。

一、介紹

9-12%Cr的耐熱鋼，如TOS系列，往往用于火電廠鍋爐、蒸汽總管、汽輪機(jī)等關(guān)鍵部件，能夠提高熱效率。TOS203鋼是東芝公司于20世紀(jì)80年代開發(fā)的高溫葉片用鋼，與TOS202和TOS110轉(zhuǎn)子鋼相比，該鋼增加了鎢含量，降低了鉬含量，并添加了錸。錸能夠有效提升鎳基高溫合金的蠕變強(qiáng)度。在TOS203鋼中，錸作為固溶體強(qiáng)化劑發(fā)揮作用，并且在600°C和650°C的蠕變或熱老化過程中，能夠保持基體中的溶質(zhì)鎢含量不斷增加。此外，錸顯著抑制了鎢在Fe-15Cr基合金中的擴(kuò)散。

最新的合金設(shè)計(jì)研究表明，通過減少氮和增加硼，TOS110鋼在650℃/120 MPa下的抗蠕變性能可提高到40000h。在此基礎(chǔ)上添加錸，可以進(jìn)一步提高TOS110鋼的蠕變強(qiáng)度。本文的目的是展示在650℃蠕變和時(shí)效過程中，錸對(duì)含0.002%氮和0.008%硼的10wt %Cr-3%Co-3%W馬氏體鋼的蠕變強(qiáng)度的積極影響。

二、錸對(duì)高鉻馬氏體鋼抗蠕變性能的影響

10Cr-3Co-3W-0.2Re鋼，經(jīng)過最終的熱處理后，初始奧氏體晶粒的平均尺寸為55μm。板條平均厚度約為0.3μm，在板條內(nèi)部觀察到的高位錯(cuò)密度約為2*1014 m-2。細(xì)小的M23C6碳化物平均尺寸為70 nm，塊、板條的邊緣；NbX碳氮化物平均尺寸為40 nm，均勻分布在馬氏體板條內(nèi)。

隨著試驗(yàn)溫度的升高，10Cr-3Co-3W-0.2Re鋼的極限抗拉強(qiáng)度(UTS)(圖1a)和屈服強(qiáng)度(YS)(圖1b)不斷降低。10Cr-3Co-3W-0.2Re鋼的極限抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度與不含Re的9Cr-3Co-3W-0Re和改良TOS110鋼的極限抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)，而TOS203鋼的極限抗拉強(qiáng)度在所有測(cè)試溫度下都較高，屈服強(qiáng)度僅在環(huán)境溫度下較高。與其他鋼材相比，TOS203鋼的極限抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度明顯較高，這歸因于較低的回火溫度(表1)。因此，10Cr–3Co–3W-0.2Re鋼中的錸在20°C、600°C和650℃的溫度下不影響整體強(qiáng)化(圖1a和b)。

圖1（c）顯示了鋼在650℃時(shí)的蠕變斷裂數(shù)據(jù)。在斷裂時(shí)間<5000 h的短期蠕變?cè)囼?yàn)中，9Cr-3Co-3W-0Re和TOS 203鋼具有明顯的優(yōu)勢(shì)，而在長(zhǎng)期蠕變?cè)囼?yàn)中，其抗蠕變性能顯著降低。由于氮含量高，兩種鋼在10,000 h后表現(xiàn)出相同的蠕變強(qiáng)度。另一方面，低氮含量的改性TOS110鋼的長(zhǎng)期蠕變強(qiáng)度可達(dá)40000 h。10Cr-3Co-3W-0.2Re鋼中添加0.2% Re, W含量增加3%，與改性TOS110鋼相比，短期蠕變強(qiáng)度顯著提高。

圖1. 10Cr-3Co-3W-0.2Re鋼的極限抗拉強(qiáng)度(a)、屈服強(qiáng)度(b)、測(cè)試溫度和蠕變行為(c)與不含Re的9Cr-3Co-3W-0re、改性TOS110和TOS203鋼的比較

對(duì)于所有鋼，經(jīng)過1000 h熱時(shí)效或500 h 650℃蠕變后，基體中的W含量分別達(dá)到1.3 wt%和1.2 wt%(圖2)。蠕變加速了基體中鎢的消耗。鎢的損耗f(W)與合金化無關(guān)，在時(shí)效(1)和蠕變(2)過程中分別為f(W) ~2.17exp(-0.0033t)和f(W) ~2.38exp(-0.0083t)。

圖2. 650℃時(shí)效(a)和蠕變(b)過程中鐵素體基體中鎢含量的變化

10Cr-3Co-3W-0.2Re和TOS203鋼中的錸在650℃的熱時(shí)效和短期蠕變過程中都不會(huì)導(dǎo)致鐵素體基體中留有更多的溶質(zhì)W，這與某些相關(guān)文獻(xiàn)中記載的數(shù)據(jù)相矛盾。最初，在10Cr-3Co-3W-0.2Re和9Cr-3Co-3W-0Re鋼中較高的W含量只在650℃蠕變/時(shí)效前100 h，并且析出金屬間化合物Fe2(W,Mo)之前，才會(huì)增加固溶體強(qiáng)化。在650℃下，10Cr-3Co-3W-0.2Re鋼在前100 h的蠕變/時(shí)效過程中，金屬間化合物顆粒沿板條邊界析出(圖3)。隨著蠕變/時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，金屬間化合物顆粒的體積分?jǐn)?shù)逐漸增大，在時(shí)效2000 h或蠕變440 h后，金屬間化合物顆粒的平均尺寸增大至100 nm(圖3b)。在10Cr-3Co-3W-0.2Re鋼中，短期蠕變后金屬間化合物顆粒的平均尺寸明顯小于改性TOS110鋼中金屬間化合物的體積分?jǐn)?shù)(根據(jù)Thermo-Calc熱力學(xué)計(jì)算軟件計(jì)算，10Cr-3Co-3W-0.2Re鋼中金屬間化合物的體積分?jǐn)?shù)為1.88%，而改性TOS110鋼中金屬間化合物的體積分?jǐn)?shù)為1.59%)。在時(shí)效2000 h或蠕變440 h時(shí)，M23C6碳化物和NbX碳氮化物的平均尺寸分別保持在70 nm和40 nm左右(圖3b)。在改性的TOS110鋼中，經(jīng)過278 h的蠕變，這些相的平均尺寸分別為80 nm和47 nm。因此，錸延緩了顆粒的粗化。金屬間化合物顆粒的高體積分?jǐn)?shù)和細(xì)粒度共同增強(qiáng)了板條結(jié)構(gòu)在蠕變過程中的穩(wěn)定性，從而提供了蠕變強(qiáng)度的增加。

圖 3. 10Cr-3Co-3W-0.2Re 鋼在 650°C 下進(jìn)行短期蠕變?cè)囼?yàn)后的 TEM 顯微照片： 200 兆帕、8 小時(shí)（a）和 160 兆帕、440 小時(shí)（b），黑色和白色箭頭分別表示沿板條邊界的 M23C6 和 金屬間化合物顆粒；灰色箭頭表示板條內(nèi)析出的 NbX 顆粒。電子衍射圖（c）是從（b）中圓圈所示的 Laves 相顆粒上獲得的。10Cr-3Co-3W-0.2Re 鋼在 650°C 不同持續(xù)時(shí)間的等溫時(shí)效后的 XRD 圖譜 (d)

三、結(jié)論

1.在實(shí)驗(yàn)中，向10Cr-3Co-3W-0.2Re鋼中添加0.2%的錸可以提高其短期蠕變強(qiáng)度，但不影響在20°C、600°C和650°C測(cè)試溫度下的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度。

2.在650°C的老化和蠕變過程中，添加0.2%的錸并不會(huì)導(dǎo)致鐵素體基體中留有更多的溶質(zhì)鎢。實(shí)驗(yàn)中10Cr-3Co-3W-0.2Re鋼蠕變強(qiáng)度的增加與大量細(xì)小的金屬間化合物顆粒的析出以及抑制其粗化有關(guān)。

參考文獻(xiàn)：On effect of rhenium on mechanical properties of a high-Cr creep-resistant steel, A. Fedoseeva, I. Nikitin, N. Dudova, R. Kaibyshev