超临界机组用耐热钢的开发及相关基础研究

【摘要】摘要：随着电力机组蒸汽参数的不断提高,高压锅炉管的服役环境发生显著的变化,同时也对高压锅炉管用耐热钢的服役性能与寿命提出了更高的要求,特别是对高温力学性能和抗氧化性能提出了很高的性能指标,传统的耐热钢已无法满足使用要求。本文开展超临界火电机组用耐热钢的成分设计、热变形、热处理工艺、高温性能及相关基础研究,为企业开发高性能耐热钢提供技术支撑。根据超临界火电机组用耐热钢的目标性能,利用人工神经网络技术开展了成分设计,确定了实验钢的成分范围。对实验钢的热变形行为进行了全面的研究,基于多种不同模型构建了本构方程,对JohnsonCook模型进行了改进。研究了T24钢在连续冷却过程中的相变行为,测定了相应的CCT图,利用解析化方法绘制了CCT图,分别与相近成分和不同成分的CCT图进行了比较。研究了实验钢的热处理工艺,在此基础上确定了实验钢的服役温度范围。对耐热钢的显微组织进行了分析,计算了晶粒度,利用EBSD手段分析了实验钢在不同状态的晶粒和晶界的变化。研究了实验钢在高温条件的氧化行为,分析了氧化膜的生长和剥落的过程,并测定了实验钢的高温物理性能。主要结论如下：1.利用BP人工神经网络模型确定T24钢的成分范围(Wt,%)为：0.07C,0.21Si,0.47Mn,0.09Cu,0.04Ni2.41Cr,1.03Mo,0.06Ti,0.24V,0.1Al,P<0.01,S<0.005。2.基于modifiedZerilli-Armstrong、strain-compensatedArrhenius等模型,构建了本构方程准确预测材料在实验范围内的流变应力。JohnsonCookR原始模型预测的相关系数=0.962,AARE=9.41%。通过引入温度与应变速率耦合影响因子对JohnsonCook原始模型进行改进,改进后模型预测的相关系数R=0.991,AARE=5.37%。3.测得T24实验钢的CCT图,Ac1为773℃,Ac3为963℃,当冷却速度小于0.1℃/s时,发生高温转变和中温转变,转变产物为铁素体、珠光体和贝氏体的混合组织,在0.5℃/s～10℃/s的冷却速度范围,转变产物为粒状贝氏体,当冷却速度大于20℃/s时,转变产物为马氏体。当冷却速度为0.03℃/s、0.05℃/s和0.1℃/s时,过冷奥氏体先在高温区发生组织转变,转变量分别为49%、25%和22%,之后在中温区发生组织转变。相近成分T23钢的CCT图及临界点与T24钢相似,Ac1和Ac3分别为777℃、963℃,成分有较大差别的T91钢的CCT图及临界点与T24相差较大,Ac1和Ac3分别为758℃、871℃。4.T24实验钢较优的奥氏体化工艺为1000℃/30min,较优回火工艺为750℃/70min。实验钢经1000℃/30min奥氏体化在750℃回火70min后,室温抗拉强度为615MPa,屈服强度为564MPa,伸长率为22.3%,在570℃的高温抗拉强度为497MPa,屈服强度为447MPa,伸长率为10.9%,服役温度不能超过580℃。5.T24钢热处理后组织为粒状贝氏体,且铁素体基体上分布有岛状颗粒,组织晶粒度级别数为5～6。T23钢的组织与T24钢相似。T9钢和T91钢的组织相似,主要为回火马氏体,基体分布有较多的析出物。T24钢在不同的状态下,组织中小角度晶界的比例较高,尤其以2°～3°晶界为主,大角度晶界以60°为主,且规律为随着取向差角的增加,小角度晶界比例迅速递减,当取向差角大于50°,大角度晶界比例显著增长,在60°附近达到峰值。6.T24钢在570℃高温氧化时,0～120h内的氧化速率为6.675×10-5,120～1700h内的氧化速率为5.996×10-8，1700～2600h内的氧化速率为2.686×10-6,2600～6200h内的氧化速率为4.513×10-7。T24钢在600℃高温氧化时,0～2000h内的氧化速率为1.161×10-5,2000～10000h内的氧化速率为4.162×10-6。T23钢在600℃的高温氧化时,0～1500h内的氧化速率为1.174×10-5,1500～5000h内的氧化速率为5.985×10-6,5000～10000h内的氧化速率为1.759×10-8。T91钢在625℃高温氧化时,0～1000h内的氧化速率为2.313×10-6,1000～10000h内,氧化速率为3.171×10-11。T9钢在600℃高温氧化时,0～500h内的氧化速率为3.367×10-5,500～6000h内的氧化速率为2.752×10-12,6000～10000h内的氧化速率为1.978×10-7。7.T24钢和T23钢的导热性能均高于T9钢和T91钢,在常温下,T9钢的导热系数为26.5W/m·K,略低于T91钢,当温度升高到800℃时,T91钢的导热系数为21.6W/m·K,比T9钢的高2.9W/m·K。在100～500℃的温度区间内,T23钢和T24钢的线膨胀系数大小差别不大,高于T9钢的线膨胀系数,T91钢的线膨胀系数最小。在温度低于500℃的情况下,T24钢的弹性模量最大,T91钢次之,T23钢的弹性模量最小。
【作者】王晓峰；
【导师】李红英；
【作者基本信息】中南大学，材料科学与工程，2013，博士
【关键词】耐热钢；热变形；本构方程；CCT图；热处理；显微组织；晶粒度；抗氧化性；

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