1、第 28卷 第 5期2007年 10月热 处 理 技 术 与 装 备RECHUL I J ISHU YU ZHUANGBE IVol. 28, No. 5Oct, 2007收 稿 日 期 : 2007 - 08 - 16作 者 简 介 :何 刚 (1964 - ) ,男 ,高 级 工 程 师 ,从 事 金 属 材 料 及 热 处 理 工 艺 研 究 。联 系 电 话 : 0451 - 82953291; E - mail: heg htc. com. cn 工 艺 超 临 界 汽 轮 机 用 1Cr11MoN iW1VNbN不 锈 钢组 织 和 性 能 的 研 究何 刚 1 ,王 海 波 2
2、,蔡 伟 1 ,曹 雪 1 ,孙 丽 1 ,颜 明 宏 1(1. 哈 尔 滨 汽 轮 机 厂 有 限 责 任 公 司 ,黑 龙 江 哈 尔 滨 150040;2. 哈 尔 滨 理 工 大 学 材 料 科 学 与 工 程 学 院 ,黑 龙 江 哈 尔 滨 150040)摘 要 :以 超 临 界 汽 轮 机 用 1Cr11MoN iW 1VNbN不 锈 钢 为 研 究 对 象 ,研 究 了 热 处 理 工 艺 对 其 组 织 和力 学 性 能 的 影 响 。 研 究 表 明 : 1Cr11MoN iW 1VNbN不 锈 钢 经 几 种 工 艺 热 处 理 后 的 组 织 全 部 是 板 条 马氏
3、体 组 织 ,随 着 淬 火 温 度 的 升 高 ,晶 粒 度 逐 渐 变 大 ;抗 拉 强 度 随 回 火 温 度 的 升 高 而 下 降 ,且 在 660 以 后 下 降 速 度 快 速 增 加 ,材 料 塑 性 随 回 火 温 度 的 升 高 而 升 高 , 1050 和 1100 淬 火 的 试 样 无 论 是强 度 还 是 塑 性 都 比 较 高 ;其 拉 伸 断 裂 时 均 为 脆 性 断 裂 ,但 在 同 一 淬 火 温 度 的 条 件 下 ,随 着 回 火 温 度 的升 高 ,断 口 的 韧 性 断 裂 特 性 逐 渐 趋 于 明 显 ; 1Cr11MoN iW 1VNbN不
4、锈 钢 硬 度 随 回 火 温 度 的 升 高 先 下降 后 升 高 ,在 回 火 温 度 为 695 处 最 低 。关 键 词 :超 临 界 汽 轮 机 ; 1Cr11MoN iW 1VNbN不 锈 钢 ;组 织 ;力 学 性 能中 图 分 类 号 : TG142 文 献 标 识 码 : B 文 章 编 号 : 1673 - 4971 (2007) 05 - 0045 - 07Research on M icrostructure and M echan ica l Property of 1Cr11N iM oW 1VNbNSta in less Steel Used in Supercr
5、 itica l Steam Pressure Turb ineHE Gang1 , WANG Hai2bo2 , CA IW ei1 , CAO Xue1 , SUN L i1 , YAN M ing2Hong1(1. Harbin Turbine Company L im ited , Harbin Heilongjiang 150040 , China; 2. School ofMaterials Scienceand Engineering, Harbin University of Science and Technology, Harbin Heilongjiang 150040,
6、 China)Abstract: The effect of heat treatment on m icrostructure and mechanical p roperty of 1Cr11N iMoW 1VNbNstainless steel used in supercritical steam p ressure turbine was investigated. The results show that all ofmetallurgical structures of 1Cr11N iMoW 1VNbN stainless steel emp loyed different
7、heat treatments were lathymartensite. W ith the quenching temperature increasing, grain size continued to increase. W ith the tempe2ring temperature increasing, the tensile strength continued to decrease, especially below 660 . W ith thetempering temperature increasing, the elongation increased. The
8、 tensile strength and elongation with thequenching temperature of 1050 and 1100 were high. A ll of the tensile rup tures were brittle frac2tures. But on the same condition of quenching temperature, with increasing the tempering temperature, therup ture tended to be tough. The hardness of 1Cr11N iMoW
9、 1VNbN stainless steel decreased and then continuedto increase with increasing the tempering temperature. The lowest hardness is in the tempering temperatureof 695 .Key words: supercritical steam p ressure turbine; 1Cr11N iMoW 1VNbN stainless steel; m icrostructure; me2热 处 理 技 术 与 装 备 第 28卷chanical
10、p roperty超 临 界 机 组 是 火 力 发 电 机 组 发 展 的 趋 势 ,发 展超 临 界 机 组 的 关 键 技 术 之 一 在 于 高 温 部 件 材 料 的 研制 1 3 ,特 别 是 承 受 一 定 外 力 作 用 的 高 温 部 件 材 料研 制 ,比 如 紧 固 件 、 锻 叶 片 、 转 子 、 汽 缸 等 。 这 些 部 位材 料 应 具 备 高 的 松 弛 稳 定 性 ,高 的 屈 服 强 度 ,足 够 高的 持 久 强 度 和 韧 性 ,良 好 的 抗 高 温 抗 氧 化 性 ,还 应 该具 有 良 好 的 热 加 工 和 机 械 加 工 工 艺 性 能 4
11、8 。国 外 对 发 展 超 临 界 机 组 用 材 料 十 分 重 视 ,在 新材 料 的 开 发 应 用 、 原 有 钢 种 的 改 良 以 及 加 工 工 艺 等方 面 都 作 了 大 量 的 研 究 工 作 ,并 取 得 成 功 。 日 立 、 东芝 、 三 菱 、 西 门 子 等 高 温 汽 轮 机 叶 片 一 般 采 用 强 化 的12% Cr系 不 锈 钢 、 17 - 4PH沉 淀 硬 化 不 锈 钢 和 钛 合金 材 料 。 强 化 的 12% Cr系 不 锈 钢 因 制 造 工 艺 简 单 、成 本 低 廉 而 使 用 最 广 泛 。 美 国 、 日 本 和 欧 洲 汽 轮
12、 机用 高 温 紧 固 件 大 多 用 强 化 的 12% Cr系 耐 热 钢 ,成 分与 调 节 级 叶 片 相 同 。 随 着 12Cr钢 研 究 的 发 展 ,改 良12Cr钢 (Cr - Mo - V - Nb - N - W )与 新 12Cr钢 (Cr- Mo - Nb - N - W - Co - B )开 始 大 量 被 用 于 制 造 超临 界 机 组 的 高 温 紧 固 件 。从 我 国 国 情 出 发 ,发 展 超 临 界 火 电 技 术 是 必 然的 。 现 在 开 发 国 产 超 临 界 机 组 已 经 落 后 发 达 国 家 三四 十 年 。 鉴 于 国 外 超 临
13、 界 机 组 已 经 投 入 商 业 运 行 ,我 国 有 条 件 立 足 于 更 高 的 起 点 ,在 实 行 标 准 化 转 化 、材 料 代 用 工 作 的 同 时 ,重 点 在 主 要 零 部 件 材 料 的 试制 与 国 产 化 研 究 上 9, 10 。1Cr11MoN iW1VNbN钢 是 马 氏 体 不 锈 钢 ,其 性 能优 于 三 菱 公 司 超 临 界 汽 轮 机 机 组 中 的 螺 栓 和 叶 片 材料 10705BU钢 ,在 我 国 ,尤 其 在 汽 轮 机 行 业 中 ,从 未 使用 过 。 因 此 ,对 此 钢 进 行 组 织 和 力 学 性 能 研 究 ,解 决
14、了 引 进 机 组 这 一 材 料 的 国 产 化 问 题 ,可 以 填 补 我 国 汽轮 机 行 业 超 临 界 机 组 中 螺 栓 和 叶 片 材 料 方 面 的 空 白 。1 试 验 用 料 与 试 验 方 法试 验 用 1Cr11MoN iW 1VNbN不 锈 钢 成 分 如 表 1所 示 ,采 用 真 空 感 应 加 电 渣 重 熔 方 法 冶 炼 ,试 样 取 自圆 柱 形 毛 坯 的 中 心 ,经 线 切 割 制 成 各 试 验 所 需 的 试样 。 材 料 淬 火 温 度 分 别 选 取 1050 、 1100 和1150 ;回 火 温 度 分 别 选 取 640 、 660
15、、 675 、695 和 715 。利 用 OLYMPUS PME - 3 金 相 显 微 镜 观 察1Cr11MoN iW 1VNbN不 锈 钢 经 不 同 温 度 淬 火 、 回 火 后的 金 相 组 织 ,用 Cr2 O3抛 光 粉 进 行 抛 光 ;拉 伸 实 验 在CSS - 44100型 电 子 万 能 试 验 机 进 行 ,按 每 种 热 处 理制 度 分 配 2组 试 样 ,每 一 种 热 处 理 后 的 试 样 都 做 常温 拉 伸 试 验 ,将 得 到 的 力 学 性 能 值 取 平 均 值 ,得 到 经不 同 工 艺 热 处 理 后 的 该 材 料 的 力 学 性 能 ;
16、利 用 H IT2CH I S - 570扫 描 电 子 显 微 镜 观 察 拉 伸 断 口 组 织 ;在Philip s CM - 12透 射 电 子 显 微 镜 ( TEM )上 分 析 热 处理 后 试 样 的 显 微 组 织 结 构 ;在 HB3000布 氏 硬 度 计 上进 行 硬 度 测 试 。表 1 1Cr11MoN iW1VNbN实 验 用 钢 的 化 学 成 分 (质 量 分 数 )% C Mn Cr Mo N i W V Nb N P S Si Cu A l0. 120. 160. 360. 7010. 0011. 000. 30. 50. 350. 651. 51. 90
17、. 140. 200. 050. 110. 040. 08 0. 02 0. 015 0. 10 0. 1 0. 22 试 验 结 果 与 分 析2. 1 1Cr11MoN iW 1VNbN不 锈 钢 金 相 组 织图 1 和 图 2 分 别 为 1Cr11MoN iW 1VNbN 钢 在1050 淬 火 和 1100 淬 火 后 不 同 回 火 温 度 下 的 金相 组 织 。 由 图 可 以 看 出 ,试 样 基 本 上 都 是 由 板 条 马氏 体 组 成 ,并 存 在 一 些 残 余 奥 氏 体 ,该 板 条 马 氏 体 为回 火 马 氏 体 。 暗 色 色 调 说 明 马 氏 体 形
18、 成 后 发 生 了 回火 以 及 程 度 不 同 的 自 回 火 。 试 样 的 晶 界 均 不 明 显 ,经 不 同 温 度 回 火 后 ,析 出 碳 化 物 ,碳 化 物 与 相 的 共格 关 系 已 经 破 坏 ,形 成 少 量 合 金 碳 化 物 。 组 织 中 板条 马 氏 体 为 回 火 马 氏 体 ,板 条 尺 寸 细 小 ,板 条 的 宽 度大 致 在 0. 3 0. 5 m左 右 ;形 成 合 金 碳 化 物 ,碳 化 物颗 粒 细 小 并 在 回 火 马 氏 体 板 条 间 析 出 。2. 2 1Cr11MoN iW 1VNbN不 锈 钢 常 温 力 学 性 能图 3、
19、图 4和 图 5分 别 表 示 了 1Cr11MoN iW1VNbN不 锈 钢 不 同 回 火 温 度 R 0. 2曲 线 图 、 不 同 回 火 温 度Rm曲 线 图 和 同 一 淬 火 温 度 不 同 回 火 温 度 曲 线 图 。从 图 3到 图 5可 以 看 出 :材 料 强 度 随 回 火 温 度 的64第 5期 何 刚 等 :超 临 界 汽 轮 机 用 1Cr11MoN iW 1VNbN不 锈 钢 组 织 和 性 能 的 研 究升 高 而 下 降 ,且 在 660 以 后 下 降 速 度 快 速 增 加 ,材料 塑 性 随 回 火 温 度 的 升 高 而 升 高 。 结 合 金 相
20、 和 透 射电 镜 显 微 组 织 分 析 得 知 , 这 是 因 为1Cr11MoN iW 1VNbN钢 淬 火 后 ,进 行 高 温 回 火 时 ,得到 回 火 马 氏 体 。 随 回 火 温 度 的 升 高 ,从 相 中 C析出 形 成 合 金 碳 化 物 ,使 马 氏 体 中 的 过 饱 和 C脱 溶 ,相 中 C含 量 降 低 ,使 相 中 C原 子 对 位 错 的 钉 轧 作用 减 弱 , 所 以 , 淬 火 后 随 回 火 温 度 的 提 高 ,1Cr11MoN iW 1VNbN钢 的 抗 拉 强 度 下 降 ,而 延 伸 率 上升 。从 图 中 还 可 以 看 出 : 1150
21、 淬 火 温 度 的 试 样 抗拉 强 度 大 于 1100 和 1050 淬 火 温 度 的 ,但 其 延伸 率 却 低 于 1050 的 试 样 , 1050 和 1100 的 比较 接 近 ,所 以 在 满 足 抗 拉 强 度 的 条 件 下 ,国 产 材 料 选择 1050 1100 淬 火 是 可 行 的 。在 很 多 热 处 理 的 工 艺 过 程 中 ,根 据 材 料 使 用 的取 向 ,可 能 采 用 高 温 淬 火 ,高 温 回 火 ;或 者 低 温 淬 火 ,低 温 回 火 两 种 不 同 的 热 处 理 制 度 ,后 者 主 要 是 得 到回 火 马 氏 体 ,使 材 料
22、 的 耐 磨 性 能 和 硬 度 比 较 高 ,前 者由 于 高 温 淬 火 使 钢 中 的 合 金 元 素 完 全 溶 入 奥 氏 体 ,高 温 回 火 又 使 合 金 元 素 完 全 析 出 ,从 而 形 成 弥 散 强化 的 二 次 强 化 ,使 综 合 力 学 性 能 比 较 好 。 用 于 汽 轮机 高 温 紧 固 件 的 1Cr11MoN iW 1VNbN钢 要 求 具 有 好的 强 度 、 塑 性 和 韧 性 等 综 合 力 学 性 能 ,因 此 采 用 1050 1100 高 温 淬 火 、 640 660 高 温 回 火 的 热 处 理制 度 。2. 3 1Cr11MoN i
23、W 1VNbN不 锈 钢 常 温 拉 伸 断 口 分 析图 6、 图 7和 图 8为 同 一 淬 火 温 度 不 同 回 火 温 度的 室 温 拉 伸 试 样 的 断 口 照 片 。 从 图 6到 图 8可 以 看出 : 1Cr11MoN iW 1VNbN不 锈 钢 材 料 拉 伸 断 裂 时 均 为脆 性 断 裂 ,但 在 同 一 淬 火 温 度 的 条 件 下 ,随 着 回 火 温度 的 升 高 ,断 口 的 韧 性 断 裂 特 性 逐 渐 趋 于 明 显 。74热 处 理 技 术 与 装 备 第 28卷从 图 6中 可 以 看 出 , 660 断 口 出 现 长 条 剧 烈 的撕 裂 棱
24、 ,可 见 裂 纹 扩 展 迅 速 ,而 675 断 口 的 撕 裂 棱就 明 显 比 660 的 少 。 从 图 7中 可 以 看 出 , 640 断图 5 同 一 淬 火 温 度 不 同 回 火 温 度 曲 线 图口 撕 裂 棱 仍 然 存 在 , 660 的 断 口 撕 裂 棱 则 基 本 上 消失 不 见 ,同 时 断 口 出 现 大 量 河 流 状 的 裂 纹 ,是 典 型 的解 理 断 口 ,而 图 8则 更 为 明 显 , 660 断 口 较 之 640 断 口 河 流 状 裂 纹 少 了 很 多 ,但 出 现 一 些 较 大 较 深的 孔 洞 ,从 塑 性 变 形 的 理 论
25、可 知 ,孔 洞 与 晶 界 的 滑 动和 晶 粒 的 转 动 有 关 , 675 时 断 口 不 仅 裂 纹 少 了 很多 ,在 局 部 地 方 还 出 现 少 量 类 似 韧 窝 状 的 小 孔 ,这 正说 明 断 裂 的 韧 性 特 征 增 加 了 。2. 4 1Cr11MoN iW 1VNbN不 锈 钢 透 射 电 镜 分 析图 9为 1Cr11MoN iW 1VNbN不 锈 钢 经 不 同 淬 火温 度 下 660 回 火 后 透 射 电 镜 照 片 。 由 图 9a可 以看 出 , 1050 淬 火 时 ,回 火 马 氏 体 板 条 间 距 比 较 宽 ,板 条 内 有 大 量 的
26、 位 错 线 ,在 板 条 之 间 只 有 少 量 的 合金 碳 化 物 析 出 ,有 残 余 奥 氏 体 存 在 。1Cr11MoN iW 1VNbN钢 经 1070 淬 火 660 回火 后 透 射 电 镜 照 片 , 如 图 9b所 示 , 随 淬 火 温 度 的 升图 6 1050 淬 火 温 度 不 同 回 火 温 度 常 温 拉 伸 断 口 照 片84第 5期 何 刚 等 :超 临 界 汽 轮 机 用 1Cr11MoN iW 1VNbN不 锈 钢 组 织 和 性 能 的 研 究高 ,回 火 马 氏 体 板 条 间 距 变 窄 一 些 ,板 条 内 且 有 大 量的 位 错 线 ,在
27、 板 条 之 间 合 金 碳 化 物 析 出 量 增 加 ,残 余奥 氏 体 量 减 少 。 1Cr11MoN iW 1VNbN钢 经 1100 淬火 660 回 火 后 透 射 电 镜 照 片 ,如 图 9c)所 示 ,与 图94热 处 理 技 术 与 装 备 第 28卷9a)和 9b)相 比 ,马 氏 体 板 条 变 得 更 细 长 ,位 错 线 很多 ,在 板 条 间 析 出 很 多 合 金 碳 化 物 ,碳 化 物 颗 粒 较大 。 1Cr11MoN iW 1VNbN钢 经 1150 淬 火 660 回火 后 透 射 电 镜 照 片 ,如 图 9d)所 示 , 回 火 马 氏 体 板
28、条间 距 随 淬 火 温 度 的 提 高 而 变 大 ,仍 然 存 在 大 量 的 位错 线 。 由 于 淬 火 温 度 高 ,使 得 碳 化 物 颗 粒 变 得 粗大 。2. 5 1Cr11MoN iW 1VNbN不 锈 钢 硬 度 与 热 处 理 制 度关 系图 10表 示 了 1Cr11MoN iW 1VNbN钢 硬 度 与 淬 火温 度 、 回 火 温 度 关 系 。 由 图 可 以 看 出 ,材 料 硬 度 随 回火 温 度 的 升 高 先 下 降 后 升 高 ,在 回 火 温 度 为 695 图 9 不 同 淬 火 温 度 下 660 回 火 透 射 电 镜 照 片图 10 淬 火
29、 温 度 、 回 火 温 度 对 布 氏 硬 度 影 响处 有 一 个 最 低 点 ,这 是 因 为 随 回 火 温 度 的 升 高 , 相增 加 ,而 合 金 碳 化 物 随 回 火 温 度 的 升 高 发 生 聚 集 并粗 化 ,所 以 ,硬 度 值 随 回 火 温 度 的 增 加 而 下 降 。由 于 1Cr11MoN iW 1VNbN钢 含 有 一 定 量 的 V和Nb,当 回 火 温 度 大 于 695 时 ,从 相 中 大 量 析 出 V和 Nb碳 化 物 , V和 Nb碳 化 物 为 硬 度 非 常 高 的 碳 化物 颗 粒 , 所 以 当 回 火 温 度 大 于 695 时 ,
30、1Cr11MoN iW 1VNbN钢 硬 度 值 反 而 升 高 。从 还 可 以 看 出 , 1050 和 1100 淬 火 , 640 至675 回 火 温 度 的 硬 度 接 近 ,性 能 稳 定 ,符 合 要 求 ,从而 也 说 明 最 佳 热 处 理 制 度 为 淬 火 1050 1100 ,640 660 是 合 理 的 。05第 5期 何 刚 等 :超 临 界 汽 轮 机 用 1Cr11MoN iW 1VNbN不 锈 钢 组 织 和 性 能 的 研 究3结 论1) 1Cr11MoN iW 1VNbN不 锈 钢 材 料 经 各 种 工 艺热 处 理 后 的 组 织 全 部 是 板
31、条 马 氏 体 组 织 ,随 着 淬 火温 度 的 升 高 ,晶 粒 度 逐 渐 变 大 。2) 1Cr11MoN iW 1VNbN不 锈 钢 材 料 强 度 随 回 火温 度 的 升 高 而 下 降 ,且 在 660 以 后 下 降 速 度 快 速增 加 ,材 料 塑 性 随 回 火 温 度 的 升 高 而 升 高 , 1050 和1100 淬 火 的 试 样 无 论 是 强 度 还 是 塑 性 都 比 较 高 。3) 1Cr11MoN iW 1VNbN不 锈 钢 材 料 拉 伸 断 裂 时均 为 脆 性 断 裂 ,但 在 同 一 淬 火 温 度 的 条 件 下 ,随 着 回火 温 度 的
32、升 高 ,断 口 的 韧 性 断 裂 特 性 逐 渐 趋 于 明 显 。4) 1Cr11MoN iW 1VNbN钢 材 料 硬 度 随 回 火 温 度的 升 高 先 下 降 后 升 高 ,在 回 火 温 度 为 695 处 最 低 。这 是 因 为 随 回 火 温 度 的 升 高 , 相 增 加 ,而 合 金 碳 化物 随 回 火 温 度 的 升 高 发 生 聚 集 并 粗 化 ,所 以 ,硬 度 值随 回 火 温 度 的 增 加 而 下 降 ;当 回 火 温 度 大 于 695 时 ,从 相 中 大 量 析 出 V和 Nb碳 化 物 ,所 以 ,当 回火 温 度 大 于 695 时 , 1C
33、r11MoN iW 1VNbN钢 硬 度 值反 而 升 高 。参 考 文 献 1 Hoffstadt U, U lm W. Cutting edge steam turbine technolo2gy ready for the challenges of future marketsA . Interna2tional Conference on Power Engineering, Japan, 2003,11: 223 - 1311 2 赵 中 平 . 超 临 界 和 超 级 超 临 界 火 电 机 组 用 新 材 料 J .机 械 工 程 材 料 , 2000, 24 (6) : 1
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38、氏 体 化 保 温 30 m in,340 等 温 淬 火 保 温 30 m in,空 冷 。参 考 文 献 1 黄 进 峰 ,方 鸿 生 ,余 贵 春 等 . 影 响 MnSiB贝 氏 体 耐 磨 铸钢 力 学 性 能 的 因 素 J . 钢 铁 研 究 学 报 , 1999, 11 ( 4) :34 38. 2 储 凯 ,傅 健 . ZGMn13钢 在 冲 击 好 和 压 力 过 程 中 形 变 诱发 马 氏 体 相 变 强 化 机 理 J . 四 川 工 业 学 院 学 报 ,2000, 19 (3) : 40 42. 3 丁 晖 . 铸 态 锰 钢 的 抗 磨 性 能 J . 铸 造
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