新型锅炉耐热不锈钢Super304H的抗晶间腐蚀性能研究

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随着火力发电机组的发展,锅炉的蒸汽压力和温度不断提高,对锅炉用耐热钢的性能也提出了越来越高的要求,为此,日本率先开发了新型耐热不锈钢Super304H并广泛应用于超超临界锅炉的过热器和再热器。相对于传统的TP304H耐热钢,Super304H钢有着更优越的综合高温性能以及焊接性能,但是C含量较高以及相对复杂的热处理工艺使其晶间腐蚀问题比较突出,并且目前对该材料晶间腐蚀问题的系统研究还非常缺乏。本文以日本住友金属供货的17根不同批次Super304H新管为研究对象。首先借助光谱仪、H2SO4-CuSO4-Cu屑法的浸泡实验金相显微镜、SEM、EDS、XRD以及硬度计等实验方法对供货态材料的化学成分、微观组织特征、晶间腐蚀性能和硬度进行了全面分析;然后利用统计法系统研究了化学成分(Nb含量、C含量和Nb/C比)对Super304H钢晶间腐蚀敏感性的影响规律;最后,通过微观组织分析、萃取碳化物的结构和含量分析以及不同电化学实验深入地研究了不同热处理(固溶、稳定化与软化处理)对Super304H钢微观组织和晶间腐蚀敏感性的影响。研究结果表明,供货态Super304H钢中共存在四种晶间腐蚀状态,有7根管的晶间腐蚀状态为第Ⅱ类,2根管的腐蚀状态为第Ⅲ和第Ⅳ类,其余8根试样没有晶间腐蚀敏感性。各种状态试样的供货态组织都为奥氏体+析出相,晶粒度都在8~10级。同时各状态试样中都有细小颗粒析出相以及高温稳定性较高的大块富Nb相,并且第Ⅲ和Ⅳ类腐蚀状态的试样晶界上还存在较多的链球状M23C6(M=Fe, Cr)。所有试样的硬度都维持在227~293HV之间。在相同C含量下,随着Nb含量的增加,试样的晶间腐蚀敏感性变化规律较为混乱;同时在相同Nb含量下,随着C含量的升高,试样的晶间腐蚀敏感性也呈现杂乱的规律;此外,当Nb/C≥8.15时,所有试样都不再有晶间腐蚀敏感性,这是完全抑制晶间腐蚀所需要的最低Nb/C比;当Nb/C<5.00时,所有的试样都具有较高的晶间腐蚀敏感性;而当5.00≤Nb/C<8.15时,试样的晶间腐蚀敏感性随Nb/C比值的变化呈现较为混乱的规律,这部分试样的晶间腐蚀敏感性主要取决于供货态热处理过程中Nb(C,N)析出的程度。在增加1150℃×15min的固溶处理之后,4#管(Nb/C=7.22)的晶间腐蚀敏感性可以彻底消除,而6#管(Nb/C=5.68)则不能消除。对6#管增加950℃1100℃的稳定化处理,发现在选定的稳定化温度范围内,6#管的晶粒尺寸能维持在79级。从析出相来看,M23C6(M=Fe, Cr)在950℃稳定化时仍然有析出,但在1000℃及以上温度时已基本溶于基体中;稳定化处理后Nb(C,N)数量较固溶态明显增加,并且在1100℃析出速度最快。从晶间腐蚀敏感性来看,随着稳定化温度升高,晶间腐蚀敏感性逐渐降低,其中950℃仍处于Super304H钢的敏化温度范围,而经过1100℃×2h水冷的稳定化处理后试样的晶间腐蚀敏感性较固溶态明显降低,说明该材料供货态的固溶处理工艺(1050℃1150℃固溶)能同时起到固溶处理和稳定化处理的作用。此外,大块富Nb相在1300℃软化处理后会逐渐溶入基体中,但软化处理的保温时间需在60min以上才有较好的溶解效果。
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