先進高效熱電站用鐵素體耐熱鋼的開發
1概述
為了節能和降低CO2排放，日益要求提高傳統熱電站的能效。解決問題的策略之一是開發出能夠保證電站在更高的蒸汽溫度和更高氣壓下工作的高強度、耐熱材料。本文提出了一種15Cr鋼，該鋼比傳統的回火馬氏體組織9Cr或12Cr鐵素體耐熱鋼的Cr含量高。也已經發現對這些新型的析出強化15Cr鐵素體鋼，通過優化合金含量，經過熱處理，可以實現比傳統鐵素體耐熱鋼更高的持久蠕變強度。
◆由于鐵素體相比回火馬氏體組織更適合于改善鋼的持久蠕變強度，因此將Cr含量提高到15%，以獲得鐵素體基體。此外，認為Cr含量的提高將改善高溫蒸汽下的抗氧化能力。
◆W含量提高到6%，以促進Laves相（Fe2W）析出。Fe2W是一種金屬間化合物，可以起到析出強化作用。由于W的熔點高、擴散速率低，因此可以認為Fe2W的高溫和持久穩定性高。
◆加入3%Co可以降低Fe2W的粗化速率，使Fe2W非常細小。
◆降低C和N含量以提高微觀組織的持久穩定性。
◆加入2.0%Ni可以顯著提高15Cr鋼的沖擊韌性。不過，Ni的加入稍微降低材料在650℃時的蠕變強度。本文研究了Ni含量對高溫蠕變強度的影響。
◆鋼水在真空感應爐內熔煉，澆鑄成的10kg鋼錠熱鍛成直徑15mm的棒材，隨后在1200℃固溶處理0.5h，最后水淬。蠕變測試用試樣是直徑6mm、長度30mm的圓棒。蠕變試驗在空氣中進行，溫度分別為650℃、700℃和750℃，壓力范圍30-240MPa，時間長達65000h。采用一個粘在試樣待測量部位的引伸儀測量蠕變變形量。
在每一測試溫度下，15Cr鋼的蠕變強度都大約是T92鋼的兩倍，在650℃和700℃下這些鋼的蠕變斷裂壽命大約是T92的100倍，而在750℃大約為T92鋼的10-100倍。650℃時Ni的加入降低了15Cr鋼的蠕變強度，不過，Ni的加入卻提高了750℃時15Cr鋼的蠕變強度。
從斷裂時的蠕變斷裂試樣的伸長率和面縮率可以看出，15Cr-0.0Ni鋼和T92鋼的伸長率都低于20%，相反，對含1.2%Ni和2.0%Ni的15Cr鋼，甚至當試樣的蠕變斷裂時間超過10000h的條件下伸長率也高于20%。同樣，在所有條件下15Cr-0.0Ni鋼和T92鋼的面縮率都低于30%，而含1.2%Ni和2.0%Ni的15Cr鋼的面縮率均高于50%。因此，可以看出1.2%Ni或2.0%Ni的加入可以明顯改善15Cr鋼的蠕變斷裂延展性。
2討論
含Ni的15Cr鋼固溶處理后，在基體中不僅觀察到鐵素體相，也發現馬氏體相。含1.2Ni%和2.0%Ni的鋼中馬氏體體積分數分別為16.7%和31.2%。利用Thermo-Calc軟件對含Ni的15Cr鋼進行的相平衡計算表明，在固溶溫度下奧氏體相也是穩定的，因此在固溶處理后的淬火過程中奧氏體相轉變成馬氏體相。在蠕變過程中，盡管在含Ni的15Cr鋼的鐵素體基體內均勻形成大量細小的析出物，但是在馬氏體相中僅稀少地析出粗大塊狀顆粒。由于馬氏體相析出強化效果的降低，含Ni15Cr鋼在650℃的蠕變強度也降低。
相反，Ni的加入卻提高了15Cr鋼在750℃時的蠕變強度，具體原因目前還不清楚。我們認為含Ni的15Cr鋼在750℃時從馬氏體相中產生奧氏體相，這是因為通過計算發現在750℃時鋼中奧氏體相可以穩定地存在。一般而言，由于元素在面心立方相中的擴散速率低，面心立方結構的蠕變速率低于體心立方結構。因此，認為Ni的加入通過形成奧氏體相而提高了15Cr鋼在750℃時的蠕變強度。
Ni的加入不僅提高了15Cr鋼的高溫蠕變強度和沖擊韌性，也改善了蠕變斷裂延展性。由于Cr含量比傳統的9-12Cr鐵素體耐熱鋼高，認為15Cr鋼具有優異的抗蒸汽氧化能力。而且由于不添加大量的稀有金屬，因此成本也比鎳基高溫合金低。據此，我們有理由相信析出強化型15Cr鐵素體鋼是用于高效熱電站內高溫結構件的有前景的材料。