超聲波清洗對耐熱鋼鑄件微觀結構觀察及性能評

隨著國民經濟的快速增長，對電力的需求量 也越來越大，燃煤火力發電由于其煤炭資源豐富、 成本低、供電穩定等優點一直是我國電力供給的 主要方式，而大力發展清潔高效的超超臨界火電 機組技術是實現節能減排戰略目標和保障國家能 源安全的重要措施之一。目前，已經投入商業運 行的機組的最高進汽溫度已經達到 620℃，未來 發展方向將是 630℃以上火電機組項目。現已 有兩臺 630℃超超臨界汽輪機組( 大唐鄆城、神華 清遠) 在建，而高蒸汽參數火電機組汽輪機的缸 體、轉子等高溫關鍵部件是制約整個火電機組應 用的重要因素。

高效率的超超臨界火力發電技術已經成為國 內外的研發熱門。日本、歐洲等已開始研發應用 于更 高 溫 度 的 耐 熱 鋼，典 型 代 表 為 日 本 的 MAＲBN 鋼、歐洲的 Z 相增強鋼以及鋼鐵 研究總院的 G115 鋼。本文針對 9Cr-3W-3Co 鋼在熱處理過程中的組織演變進行系統分析，測試了鑄件的常溫和高溫力學性能，為 9Cr-3W-3Co 耐熱鑄鋼在 630 ～ 650℃ 超超臨界火力發電機組 高溫關鍵部件的應用可行性提供參考。

采用真空感應爐冶煉鑄造 40 kg 鋼錠試驗 件，化學成分見表 1。鑄態試樣在均質化處理后， 采用 1180℃保溫 2 h 后空冷，并在 740℃ 保溫 6 h 后回火。試驗中采用金相( Axiovert200MAT) 及掃 描( QUANTA400) 觀察鑄態、均質化、正火、回火不 同熱處理過程中的微觀組織，同時采用 EDS 對基 體及析出物進行微區成分分析。 鑄件分別進行硬度、沖擊、室溫及高溫拉伸、 持久等性能測試。硬度試驗采用維氏硬度測量， 載荷為 10 kg; 沖擊試驗采用夏比 V 型缺口試樣; 拉伸試驗分別在室溫及 650℃ 下進行，試樣為5 mm 的標準拉伸試樣; 持久拉伸試驗測試溫度 650℃，所用應力分別為 100 MPa 及 170 MPa。根 據 GBT 2039—2012《金屬材料 單軸拉伸蠕變 試驗方法》，持久試驗采用5 mm 的圓形橫截面 標準持久試樣，對不同應力下的斷裂時間進行記 錄。持久試樣斷裂后，使用丙酮對斷口進行超聲 波清洗（使用儀器廠家為昆山超聲波KQ-300DE），利用掃描電鏡觀察斷口表面。

由于大型鑄件無法利用鍛壓、軋制等熱變形 方法來調整產品內部組織，只能單純依靠熱處理 對產品進行最大限度的組織與性能優化，所以合理的熱處理工藝對鑄件產品的質量至關重要。

鑄態組織以板條馬氏體為主， 存在少量的 δ 鐵素體，并可以看出大量 M3B2 呈 網狀分布 ，這些高合金含量的 B、C 化 合物聚集了大量的合金元素和 B、C 元素，在材料 中難以起到有效的強化作用，所以必須消除這些 粗大 B、C 化合物，將其中的合金元素釋放出來， 使其溶于基體進行固溶強化或是參與形成更有效 的強化相。通過均質化熱處理后 δ 鐵素體及網狀 M3B2 基本消除，并在一定程度上消除偏析，使組 織中的元素分配更加均勻。 正火后合金元素更加均勻的固溶到基體中， 幾乎未見顆粒狀 M3B2 相 。合適的正 火溫度和時間，也可獲得合適的晶粒尺寸，為后續 的回火過程做好組織準備。回火后組織為回火馬 氏體組織，正火處理后的 Cr、W、Nb、V 以及 C、B、N 等元素絕大部分都固溶在馬氏體基 體內，并且在回火過程中，這些元素擴散并形成細 小彌散的析出相從基體中析出，這些彌散的第二相為材料提供優良穩定的高溫性能; 另一方面，回 火處理可適當降低材料內位錯密度，提高材料韌 性，降低材料加工難度。

9Cr-3W-3Co 鋼鑄態及不同熱處理過程中的 掃描照片，鑄態網狀 M3B2 和 δ 鐵素 體經過均質化和正火后均被有效消除，回火后析 出相以原奧氏體晶界、大角度板條界和板條束界 分布的 M23C6 及內部彌散的 MX 為主。成分分析表明 δ 鐵素體中 W 和 Cr 的含量明顯高于基 體，鑄態中鏈狀的析出相是 Fe、W、V、Cr 元素的硼 化物，即為 M3B2 ; 回火組織中原奧晶界處的析出 相為( Cr，Fe，W，V) 23C6。 綜上，熱處理后的典型組織為回火馬氏體，由 馬氏體板條、高密度位錯和彌散分布的第二相粒 子組成。板條結構的穩定性關系著耐熱鋼高溫力 學性能的穩定性，合適的熱處理工藝是獲得穩定 組織的重要因素。

鑄件的常溫抗拉強度和屈服強度分別為 838 MPa 和6 9 2 MPa ，延伸率和斷面收縮率分別為MPa 下持久試樣進行了斷口 SEM 分析。可以看出，試樣呈現微孔聚集型的斷裂機制， 韌窩的產生是由于顆粒形成的孔洞擴展而引起， 具有顯著的塑性斷裂特征。持久斷口韌窩的萌發 多是由于第二相與位錯環之間積累的彈性應變能 高于其與基體間的結合力造成的，在韌窩的底 部常可觀察到第二相粒子。

熱處理過程能夠較好的消除 9Cr-3W-3Co 鋼鑄態組織中的高溫鐵素體及大量的 M3B2，回火 組織主要為回火馬氏體，碳化物以 M23 C6 和 MX 為主， 9Cr-3W-3Co 鋼鑄件的常溫屈服強度為 692 MPa，高溫 650℃屈服強度可達 278 MPa; 并且 具有良好的沖擊韌性，常溫沖擊韌性高達 47 J; 在 650℃ 170 MPa 條件下，持久斷裂時間大于 2000 h，應力 100 MPa 條件下已持續 5000 h， 9Cr-3W-3Co 鋼鑄件具有較優異的性能， 可以作為 630℃ 650℃ 超超臨界火電機組高溫關 鍵部件的備選材料之一。

經過實際生產的檢驗，把前期多次試驗研制 的工藝和參數進一步調整，使其更適合實際工件 的生產。降低回火溫度，提高了綜合力學性能。 增加預冷的環節，既控制了淬火時火焰造成的隱 患，又解決了端部裂紋的問題。整個生產過程控 制安全合理，適合后期批量生產。