摘要
为切实履行碳平衡和碳中和战略，提高汽轮机效率势在必行。相比于传统的发电装备，超超临界机组有很多优点，但是其较高的主蒸汽室温度对阀芯件提出了新的要求。基底材料从P91/P92替换为FB2马氏体耐热钢并在其上堆焊Stellite6作为高温耐磨层。但Stellite6成分与性能迥异于基体，经长期服役会发生堆焊层开裂甚至脱落的问题。因此，亟需对FB2用堆焊材料进行优化设计，并从多个维度对堆焊层组织与性能进行评价。本课题选取Stellite6、Inconel625及Inconel625过渡+Stellite6三种类型堆焊材料，对堆焊接头进行了对比研究；从高温时效、高低温循环热疲劳、室温与高温磨损等方面对堆焊层及界面组织特征及其演化规律与性能变化开展了系统研究；探究了Stellite6堆焊层的热疲劳开裂及扩展机理。 在FB2上TIG堆焊了Stellite6、Inconel625以及Inconel625过渡+Stellite6堆焊层，对比分析了三种接头物相组成、显微组织和力学性能。结果显示，Stellite6合金显微组织为枝晶状γ-Co固溶体和枝晶间以M7C3、M23C6为主的共晶碳化物，部分γ-Co内存在少量的ε-Co。Inconel625合金显微组织为枝晶状的γ-Ni固溶体，其晶界间存在M23C6。Stellite6、Inconel625堆焊层稀释率分别为58.89%、34.04%，引入过渡层后Stellite6堆焊层稀释率下降。显微硬度结果显示，Stellite6堆焊层近界面区出现高硬层与后续道次堆焊热输入有关。Inconel625堆焊层近界面FB2出现高硬层，这与堆焊过后未进行热处理有关。 研究了650℃高温时效下三种堆焊接头不同时效时长的组织与性能。界面分析结果显示，Fe-Co界面附近出现了明显的过渡层，Fe、Co等元素富集并形成新相，弥散分布有大量富Cr碳化物，可能是原始界面附近碳化物析出与长大的结果。过渡层随时效时间增加而增厚；Ni-Co界面变化不明显。组织分析显示，Stellite6合金中M7C3不断向M23C6转变，Inconel625合金晶界上析出明显，导致不同堆焊层的硬度都随时效时长增长而增加。 在650℃与室温之间对三种堆焊层进行高低温循环热疲劳，表征近裂纹区域并探究开裂机理。Stellite6合金堆焊层在热疲劳次数约300次时堆焊层出现裂纹，裂纹主要沿碳化物扩展。近裂纹出现较多的切变区域，切变机理是(111)γ堆垛顺序从ABCABC变成ABAB。切变界面上分布有富Cr碳化物，可能是铃木效应导致层错附近的偏析或堆垛顺序由ABAB变为AAA而形成的新碳化物。随疲劳次数的增加三种堆焊层残余应力不断增加，这与不同材料的热膨胀系数有关。Stellite6合金热疲劳后硬度增加，这与马氏体相变和碳化物有序分布有关。 将三种堆焊层置于25℃与650℃下进行磨损试验，分析磨损行为，研究不同堆焊层耐磨性差异的内在原因。结果显示，Stellite6堆焊层在高温以及室温下其耐磨性较好。复合堆焊层室温耐磨性高于Inconel625堆焊层，但高温耐磨性较差，这是由于过渡层加入后引入了较多的Ni，减少马氏体转变以及沿切变界面有序分布的碳化物，导致耐磨性降低。Inconel625合金堆焊层室温耐磨性较低，但在高温下，堆焊层表面形成了高硬度的氧化层，保护了内层金属。Stellite6堆焊层室温下的主要磨损机制是磨粒磨损，高温下主要的磨损机制是磨粒磨损和粘着磨损；复合堆焊层在室温下主要磨损机制为磨粒磨损，高温下为磨粒磨损与高硬度氧化层的失效；Inconel625堆焊层室温下的主要磨损机制为磨粒磨损与粘着磨损，与高温下类似。
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