S30432成分和工藝對鋼性能的影響

S30432是目前世界上最先進的超超臨界(USC)發電機組上使用的高等級耐熱鋼。

本文通過晶間腐蝕試驗、金相試驗、力學性能試驗和熱模擬試驗等方法以及XRD、SEM、TEM、HR-TEM等測試手段對S30432奧氏體耐熱鋼晶間腐蝕敏感性、不同熱處理狀態下的室溫性能、高溫性能、持久性能、高溫應力狀態下組織演變、高溫強化機理以及熱變形行為進行了詳盡的研究,對S30432鋼的國產化進程具有推進作用。 

研究結果表明,碳含量對S30432鋼晶間腐蝕敏感性的影響比鈮含量的影響更為顯著,當鈮含量與碳含量的比值大于5.8時,可以抑制晶間腐蝕的發生。隨固溶溫度升高,S30432鋼的晶間腐蝕敏感性逐漸下降,當固溶溫度不低于1100℃、碳含量不高于0.083%時,可以完全避免晶間腐蝕的發生。S30432鋼管固溶后要快速冷卻,要避免在840℃附近溫度區域停留,以防止由于M23C6碳化物析出量增加而增大晶間腐蝕敏感性。 

固溶處理溫度和時間對室溫強度影響明顯,如果固溶溫度超過1150℃室溫強度明顯下降。沖擊功隨時效時間增加明顯下降,但2000小時后趨于穩定。碳含量對室溫強度影響明顯,鈮含量對室溫強度影響不明顯。 

S30432鋼650℃4小時時效后持久強度均高于在700℃4小時進行時效處理。低碳中鈮試驗鋼持久強度最高。元素Cu、Nb、C、N、和B的強化當量系數分別為1、1、4、20、337。 MX相是S30432鋼中最主要的強化相,對維持高溫持久強度的貢獻最大。MX相尺寸約50nm~120nm,通過與位錯的強烈相互作用使鋼的變形抗力增大。在650℃下同時效時間4小時相比,當時效時間達到2000小時時,MX相中的鈮和氮的含量僅增加了5.50%和2.72%,這種緩慢變化有利于其強化效果的穩定性。 細小的M23C6相在晶界、晶內彌散分布,起到重要強化作用,M23C6相的尺寸在0.3μm~0.8μm,大量分布在晶界上,在晶內也有彌散分布。在650℃下同時效時間4小時相比,當時效時間達到2000小時時,M23C6相析出量增加16.74倍,其尺寸也明顯增大。少數大尺寸的M23C6相,不但對強化不起作用,甚至有危害作用。 

富銅相對S30432鋼的強化有重要貢獻。富銅相的尺寸在3nm~30nm,平均尺寸約10nm,彌散分布在晶內和晶界,阻礙位錯運動使鋼得到強化,同時富銅相還存在于亞結構和孿晶中阻止位錯運動,使鋼的強度得到提高。 通過對S30432鋼進行熱模擬試驗,獲得了S30432鋼在各個應變速率條件下不同變形溫度時的流變曲線。確定了在不同變形條件下的峰值應力和峰值應變。求得了在0.005s-1~5s-1及800℃~1200℃變形條件下S30432鋼的熱變形激活能為485 kJ/mol。建立了S30432鋼的熱變形方程和動態組織狀態圖。確定了S30432鋼的動態再結晶臨界應力與其Z參數間的關系。確定了S30432鋼動態再結晶晶粒尺寸D與其Z參數和參數A間的定量關系。建立了S30432鋼的熱加工圖和熱拉伸塑性圖并對其中典型的變形機制進行了分析。