先进高效热电站用铁素体耐热钢的开发
1概述
为了节能和降低CO2排放，日益要求提高传统热电站的能效。解决问题的策略之一是开发出能够保证电站在更高的蒸汽温度和更高气压下工作的高强度、耐热材料。本文提出了一种15Cr钢，该钢比传统的回火马氏体组织9Cr或12Cr铁素体耐热钢的Cr含量高。也已经发现对这些新型的析出强化15Cr铁素体钢，通过优化合金含量，经过热处理，可以实现比传统铁素体耐热钢更高的持久蠕变强度。
◆由于铁素体相比回火马氏体组织更适合于改善钢的持久蠕变强度，因此将Cr含量提高到15%，以获得铁素体基体。此外，认为Cr含量的提高将改善高温蒸汽下的抗氧化能力。
◆W含量提高到6%，以促进Laves相（Fe2W）析出。Fe2W是一种金属间化合物，可以起到析出强化作用。由于W的熔点高、扩散速率低，因此可以认为Fe2W的高温和持久稳定性高。
◆加入3%Co可以降低Fe2W的粗化速率，使Fe2W非常细小。
◆降低C和N含量以提高微观组织的持久稳定性。
◆加入2.0%Ni可以显著提高15Cr钢的冲击韧性。不过，Ni的加入稍微降低材料在650℃时的蠕变强度。本文研究了Ni含量对高温蠕变强度的影响。
◆钢水在真空感应炉内熔炼，浇铸成的10kg钢锭热锻成直径15mm的棒材，随后在1200℃固溶处理0.5h，最后水淬。蠕变测试用试样是直径6mm、长度30mm的圆棒。蠕变试验在空气中进行，温度分别为650℃、700℃和750℃，压力范围30-240MPa，时间长达65000h。采用一个粘在试样待测量部位的引伸仪测量蠕变变形量。
在每一测试温度下，15Cr钢的蠕变强度都大约是T92钢的两倍，在650℃和700℃下这些钢的蠕变断裂寿命大约是T92的100倍，而在750℃大约为T92钢的10-100倍。650℃时Ni的加入降低了15Cr钢的蠕变强度，不过，Ni的加入却提高了750℃时15Cr钢的蠕变强度。
从断裂时的蠕变断裂试样的伸长率和面缩率可以看出，15Cr-0.0Ni钢和T92钢的伸长率都低于20%，相反，对含1.2%Ni和2.0%Ni的15Cr钢，甚至当试样的蠕变断裂时间超过10000h的条件下伸长率也高于20%。同样，在所有条件下15Cr-0.0Ni钢和T92钢的面缩率都低于30%，而含1.2%Ni和2.0%Ni的15Cr钢的面缩率均高于50%。因此，可以看出1.2%Ni或2.0%Ni的加入可以明显改善15Cr钢的蠕变断裂延展性。
2讨论
含Ni的15Cr钢固溶处理后，在基体中不仅观察到铁素体相，也发现马氏体相。含1.2Ni%和2.0%Ni的钢中马氏体体积分数分别为16.7%和31.2%。利用Thermo-Calc软件对含Ni的15Cr钢进行的相平衡计算表明，在固溶温度下奥氏体相也是稳定的，因此在固溶处理后的淬火过程中奥氏体相转变成马氏体相。在蠕变过程中，尽管在含Ni的15Cr钢的铁素体基体内均匀形成大量细小的析出物，但是在马氏体相中仅稀少地析出粗大块状颗粒。由于马氏体相析出强化效果的降低，含Ni15Cr钢在650℃的蠕变强度也降低。
相反，Ni的加入却提高了15Cr钢在750℃时的蠕变强度，具体原因目前还不清楚。我们认为含Ni的15Cr钢在750℃时从马氏体相中产生奥氏体相，这是因为通过计算发现在750℃时钢中奥氏体相可以稳定地存在。一般而言，由于元素在面心立方相中的扩散速率低，面心立方结构的蠕变速率低于体心立方结构。因此，认为Ni的加入通过形成奥氏体相而提高了15Cr钢在750℃时的蠕变强度。
Ni的加入不仅提高了15Cr钢的高温蠕变强度和冲击韧性，也改善了蠕变断裂延展性。由于Cr含量比传统的9-12Cr铁素体耐热钢高，认为15Cr钢具有优异的抗蒸汽氧化能力。而且由于不添加大量的稀有金属，因此成本也比镍基高温合金低。据此，我们有理由相信析出强化型15Cr铁素体钢是用于高效热电站内高温结构件的有前景的材料。