黨浩然 丁 凱 吳貫之 高玉來

(上海大學先進凝固技術(shù)中心，上海 200444)

汽輪機是以水蒸氣為動力，將蒸汽能量轉(zhuǎn)化為機械功的旋轉(zhuǎn)式動力機械，廣泛用作火力發(fā)電廠的原動機[1]。但是傳統(tǒng)發(fā)電機組效率較低，為提高發(fā)電效率，節(jié)約能源，蒸汽壓力和溫度更高的超超臨界汽輪機得到了廣泛應用[2- 3]。轉(zhuǎn)子是汽輪機的核心部件之一，其安全可靠性對汽輪機組性能的提升起決定性作用[4]。鐵素體耐熱鋼具有熱膨脹系數(shù)低、抗疲勞性能好、抗應力腐蝕性能強及生產(chǎn)成本低等優(yōu)點，已成為蒸汽管道、蒸汽輪機轉(zhuǎn)子及葉片等關(guān)鍵部件的首選材料[5- 6]。

在實際工程應用中，由于金屬材料多用于高溫環(huán)境，除應具有優(yōu)異的高溫力學性能和耐高溫腐蝕性能外，還需要有良好的抗氧化性能[7- 8]。Saunders等[9]研究發(fā)現(xiàn)，高溫水蒸氣加速了Ni基及Cr基合金的氧化速度。Sun等[10]研究發(fā)現(xiàn)，在超臨界水蒸氣環(huán)境中，隨著溫度的升高，316不銹鋼的氧化程度逐漸增大，水蒸氣的滲透也加劇了316不銹鋼的氧化。

本文研究的材料為CB2耐熱鋼(9%Cr- Mo- Co- B，質(zhì)量分數(shù)，下同)，屬于9%～12%Cr鋼的范疇，是在歐洲COST501鐵素體耐熱鋼的基礎(chǔ)上改良的，其特點是增加B元素并引入Co元素[11- 12]，目的是使析出相細化從而提高蠕變強度[13]。CB2鋼具有優(yōu)良的高溫蠕變性能以及抗氧化性能，但為確保其在服役期間的穩(wěn)定性，需要對該鋼種在特定環(huán)境下的抗氧化性能及氧化過程中的組織演變規(guī)律進行研究。

1 試驗材料與方法

試驗材料為9%Cr- Mo- Co- B鋼(CB2鋼)，主要用于蒸汽溫度為620 ℃的超超臨界汽輪機組。9%Cr- Mo- Co- B鋼的化學成分如表1所示。

表1 CB2鋼的化學成分 (質(zhì)量分數(shù))Table 1 Chemical composition of the CB2 steel (mass fraction) %

金屬的高溫氧化過程包含氧在金屬表面的吸附、氧化物的形核長大、形成連續(xù)的氧化膜及氧化膜增厚等[14]。根據(jù)HB 5258—2000[14- 15]將試樣加工成尺寸為30 mm×10 mm×2 mm的標準試樣，然后去除表面氧化膜，使其表面粗糙度Ra達到0.63～1.25 μm。選用直徑為30 mm的Al2O3剛玉坩堝，將盛放試樣的坩堝置于SX- 12- 15型電爐內(nèi)進行加熱。試驗前將坩堝焙燒至恒重，將其質(zhì)量記為m。

基于超超臨界汽輪機轉(zhuǎn)子的實際工作溫度，將氧化試驗的保溫溫度設(shè)定為620 ℃。試驗前先對試樣及坩堝進行稱量并做好記錄，試樣與坩堝的質(zhì)量記為m1。試驗開始后2 h內(nèi)將爐溫從室溫升至620 ℃，之后保溫；每隔25 h停止保溫，試樣爐冷至300 ℃以下，取出試樣空冷至室溫；再次稱量試樣及坩堝后放入爐中重復上述試驗步驟。保溫時間累計達到100 h時停止試驗。將保溫25、50、75和100 h的試樣與坩堝的總質(zhì)量分別記為m2、m3、m4和m5。

氧化試驗結(jié)束后,將試樣進行鑲嵌、磨拋和腐蝕，然后采用金相顯微鏡觀察其橫截面組織。采用維氏硬度計測量硬度，試驗力為300 g，保載時間15 s。

2 結(jié)果與討論

2.1 氧化性能評估

試樣的氧化增重曲線如圖1所示?？梢娫嚇釉谘趸那?0 h內(nèi)，增重較明顯，后50 h增重較為緩慢，即氧化初期氧化速度較快，增重較為明顯，隨著氧化時間的增加，氧化速率趨緩。

對氧化試驗結(jié)果進行評級可直觀地反映試樣的抗氧化性。根據(jù)HB 5258—2000，采用質(zhì)量增加法評價CB2鋼試樣的抗氧化性。試樣的氧化速率計算公式為：

K′=(m5-m3)/(S·50)

(1)

圖1 試樣的氧化增重曲線Fig.1 Oxidation weight gain of the samples as a function of oxidzing time

式中：K′為氧化速率，g/(m2·h)；m5為氧化100 h的試樣與坩堝總質(zhì)量，g；m3為氧化50 h的試樣與坩堝總質(zhì)量，g；S為試樣表面積，m2。

單位面積氧化皮脫落量計算公式為：

G′=(m5-m6-m)/S

(2)

式中：G′為單位面積氧化皮脫落量，g/m2；m5為氧化100 h的試樣與坩堝總質(zhì)量，g；m6為氧化100 h的試樣質(zhì)量，g；m為焙燒后坩堝的質(zhì)量，g；S為試樣表面積，m2。

通過計算得到試樣的平均氧化速率為0.052 6 g/(m2·h)，平均氧化皮脫落量為2.412 2 g/m2。對照氧化評級標準，當平均氧化速率小于0.1 g/(m2·h)時，試樣可評定為完全抗氧化；當平均氧化皮脫落量大于1.0、小于10.0 g/m2時，試樣可評定為抗氧化性。由于試驗結(jié)果不滿足同一級別，按低級別評定，故試樣評級為抗氧化。

2.2 顯微組織

圖2為試樣在620 ℃氧化不同時間后的顯微組織。可見未氧化試樣(圖3(a))的組織為回火板條馬氏體。氧化至100 h試樣的組織仍為回火板條馬氏體，顯示出良好的高溫組織穩(wěn)定性。原因是CB2耐熱鋼中較高含量的合金元素，如Cr[16- 17]和Mo元素[18]等，能大幅度提高鋼的高溫抗氧化性。

圖2 試樣在620 ℃氧化不同時間后的顯微組織Fig.2 Microstructures of the samples after oxidizing at 620 ℃ for different times

2.3 顯微硬度

試樣在620 ℃氧化不同時間后的橫截面中心的顯微硬度如圖3所示。從圖3可以看出，氧化不同時間的試樣硬度較穩(wěn)定，約為230 HV0.3。保溫25 h的試樣硬度最高，約為235 HV0.3；保溫50 h的試樣硬度最低，約為225 HV0.3。9%～12%Cr鋼中析出相在高溫下會發(fā)生一定程度的演變，而硬度的變化主要決定于Cr、Mo、V及Nb元素的固溶強化和碳化物析出強化。Baek等[19]對長時間時效的9Cr- 1Mo鋼的組織與性能進行了研究，觀察到在時效過程中Laves相長大，消耗了基體中起固溶強化作用的Mo元素，造成局部區(qū)域軟化，從而導致鋼的沖擊性能降低。Thomas等[20]對9Cr- 1Mo鋼高溫下的組織穩(wěn)定性進行研究發(fā)現(xiàn)，M23C6型析出相在時效過程中粗化也會導致局部組織軟化。因此對于保溫時間為50 h的試樣，初步推測其顯微硬度的高低與測試位置有關(guān)，即由于試樣局部區(qū)域的析出相在高溫時效過程中發(fā)生演變，導致其周圍區(qū)域基體軟化，顯微硬度降低。

圖3 試樣在620 ℃氧化不同時間后的顯微硬度Fig.3 Microhardness of the samples after oxidizing at 620 ℃ for different times

為進一步說明氧化過程對CB2鋼性能的影響，并探究保溫時間為50 h的試樣硬度較低的原因，測定了試樣的整體顯微硬度，結(jié)果如圖4所示。可見試樣表面硬度較為穩(wěn)定，為220～240 HV0.3。因此，試樣硬度測量位置的差異，以及試驗過程中試樣與坩堝接觸也會在一定程度上導致加熱不均勻，導致硬度波動。

圖4 試樣在620 ℃氧化50 h后的顯微硬度Fig.4 Microhardness of the samples after oxidizing at 620 ℃ for 50 h

3 結(jié)論

(1)CB2鋼在620 ℃分別保溫25、50、75和100 h后，利用質(zhì)量增加法對其抗氧化性進行評價。計算得到試樣的平均氧化速率為0.052 6 g/(m2·h)，平均氧化皮脫落量為2.412 2 g/m2，CB2鋼為抗氧化鋼。

(2)氧化不同時間試樣的組織均為回火馬氏體，板條比較清晰，氧化時間對組織影響較小，CB2鋼在620 ℃具有較好的組織穩(wěn)定性。

(3)氧化不同時間試樣的硬度為220～240 HV0.3，氧化時間對試樣硬度的影響較小，CB2鋼在620 ℃具有較高的性能穩(wěn)定性。