摘要
提高超超临界火力发电机组的运行蒸汽参数可提高发电效率，而目前使用的9％～12％Cr马氏体耐热钢的蠕变强度制约着蒸汽参数的提升。在第三代马氏体耐热钢的基础上，通过大幅提高W、Co含量发展出来的第四代马氏体耐热钢虽然具有较高的蠕变强度，但其制备成本高昂，长期服役后的Laves相析出致脆问题无法得到很好的解决，限制了其大规模的推广应用。在不大幅提高W、Co含量的前提下，如何显著地提高马氏体耐热钢的蠕变强度是人们面对的一大难题。在此背景下，本文对马氏体耐热钢的蠕变强化机制进行研究，通过优化析出相形貌和界面构成，开发出具有优异蠕变性能的新型马氏体耐热钢。 本文首先研究了不同类型、不同形貌的析出相对马氏体耐热钢的组织热稳定性和蠕变性能的影响。设计并冶炼了4种具有不同析出相形貌的马氏体耐热钢:NS1钢采用少量尺寸在50～80nm之间的MX氮化物强化;NS2钢采用大量尺寸在20～60nm之间的MX氮化物强化;CNS钢采用大量尺寸小于100nm的MX碳氮化物和尺寸介于100～300nm之间的M23C6碳化物强化;CS钢采用大量尺寸小于100nm的MX碳化物和尺寸在200～500nm之间的M23C6碳化物强化。对这四种实验钢在650～750℃进行时效，NS1钢和NS2钢的组织分别在Larson-Miller参数(T(20+logt))大于21000和21500后开始发生再结晶，而CS钢和CNS钢的组织在Larson-Miller参数大于23500后才开始出现再结晶。大尺寸M23C6相能有效阻碍时效过程中界面和位错的运动，提升组织的热稳定性，而小尺寸MX相只能钉扎位错而无法阻碍界面的运动，所以采用MX相强化的实验钢易于发生再结晶。 虽然采用M23C6相强化的CS钢和CNS钢在650～750℃时效具有优异的组织热稳定性，但是它们的650℃短时蠕变性能却明显低于仅采用MX相强化的NS1钢和NS2钢。这是因为在短时蠕变的过程中，大尺寸的M23C6相降低了亚晶界面的可动性，界面周围的应力集中难以及时地松弛，并最终激活了位于亚晶界上的位错源。随着可动位错的大量增殖，材料的短时蠕变性能显著降低。如果在650℃长时蠕变，根据Larson-Miller参数外推，M23C6相几乎不具有任何强化作用，它们的粗化十分严重，组织也在长时蠕变过程中发生再结晶，此时材料的蠕变强度主要来源于亚晶强化。在确保马氏体耐热钢组织稳定的前提下，应尽可能地减少M23C6相的数量，以提高材料的蠕变性能。 本文随后以CS钢为研究对象，对马氏体耐热钢的大角度界面(原奥氏体晶界、板条群界、板条束界)和小角度界面(板条界)的作用进行研究。通过提高正火温度和奥氏体化后冷至Ms点以上长时保温，减少大角度界面的数量;通过提高回火温度，减少小角度界面的数量。对大、小角度界面数量的变化对耐热钢的室温及高温力学性能的影响研究结果表明，减少大角度界面的数量虽然降低了材料的室温冲击韧性和拉伸强度，但抑制了原子沿大角度界面的扩散，提高了组织的热稳定性，使材料的蠕变强度显著提高;减少小角度界面的数量虽然提高了材料的室温冲击吸收功，但降低了亚晶强化效果，使材料的室温强度和高温蠕变强度下降。应在不降低小角度界面数量的条件下，减少大角度界面的数量，以提高材料的蠕变性能。 最后，根据以上研究结果，本文通过降低碳含量来抑制M23C6相的析出，并减少大角度界面的数量，成功地开发出两种新型马氏体耐热钢:N1钢和N2钢。N1钢中的W、Mo含量低，材料成本低于目前商业应用最广泛、蠕变性能最优异的第三代马氏体耐热钢T/P92钢。在16000h的实验时间范围内，其600℃的蠕变断裂时间是T/P92钢的3～5倍。N2钢是在N1钢成分的基础上添加了少量的Mo和Co，并利用大量小尺寸的MX氮化物进行强化，在4000h的实验时间范围内，其650℃的蠕变断裂时间是T/P92钢的15～20倍。在650℃时效12000h的时间范围内，N2钢表现出了优异的组织热稳定性。在不大幅提高材料成本的条件下，本文成功地将马氏体耐热钢的使用温度提高至650℃。
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