S30432成分和工艺对钢性能的影响

S30432是目前世界上最先进的超超临界(USC)发电机组上使用的高等级耐热钢。

本文通过晶间腐蚀试验、金相试验、力学性能试验和热模拟试验等方法以及XRD、SEM、TEM、HR-TEM等测试手段对S30432奥氏体耐热钢晶间腐蚀敏感性、不同热处理状态下的室温性能、高温性能、持久性能、高温应力状态下组织演变、高温强化机理以及热变形行为进行了详尽的研究,对S30432钢的国产化进程具有推进作用。 

研究结果表明,碳含量对S30432钢晶间腐蚀敏感性的影响比铌含量的影响更为显著,当铌含量与碳含量的比值大于5.8时,可以抑制晶间腐蚀的发生。随固溶温度升高,S30432钢的晶间腐蚀敏感性逐渐下降,当固溶温度不低于1100℃、碳含量不高于0.083%时,可以完全避免晶间腐蚀的发生。S30432钢管固溶后要快速冷却,要避免在840℃附近温度区域停留,以防止由于M23C6碳化物析出量增加而增大晶间腐蚀敏感性。 

固溶处理温度和时间对室温强度影响明显,如果固溶温度超过1150℃室温强度明显下降。冲击功随时效时间增加明显下降,但2000小时后趋于稳定。碳含量对室温强度影响明显,铌含量对室温强度影响不明显。 

S30432钢650℃4小时时效后持久强度均高于在700℃4小时进行时效处理。低碳中铌试验钢持久强度最高。元素Cu、Nb、C、N、和B的强化当量系数分别为1、1、4、20、337。 MX相是S30432钢中最主要的强化相,对维持高温持久强度的贡献最大。MX相尺寸约50nm~120nm,通过与位错的强烈相互作用使钢的变形抗力增大。在650℃下同时效时间4小时相比,当时效时间达到2000小时时,MX相中的铌和氮的含量仅增加了5.50%和2.72%,这种缓慢变化有利于其强化效果的稳定性。 细小的M23C6相在晶界、晶内弥散分布,起到重要强化作用,M23C6相的尺寸在0.3μm~0.8μm,大量分布在晶界上,在晶内也有弥散分布。在650℃下同时效时间4小时相比,当时效时间达到2000小时时,M23C6相析出量增加16.74倍,其尺寸也明显增大。少数大尺寸的M23C6相,不但对强化不起作用,甚至有危害作用。 

富铜相对S30432钢的强化有重要贡献。富铜相的尺寸在3nm~30nm,平均尺寸约10nm,弥散分布在晶内和晶界,阻碍位错运动使钢得到强化,同时富铜相还存在于亚结构和孪晶中阻止位错运动,使钢的强度得到提高。 通过对S30432钢进行热模拟试验,获得了S30432钢在各个应变速率条件下不同变形温度时的流变曲线。确定了在不同变形条件下的峰值应力和峰值应变。求得了在0.005s-1~5s-1及800℃~1200℃变形条件下S30432钢的热变形激活能为485 kJ/mol。建立了S30432钢的热变形方程和动态组织状态图。确定了S30432钢的动态再结晶临界应力与其Z参数间的关系。确定了S30432钢动态再结晶晶粒尺寸D与其Z参数和参数A间的定量关系。建立了S30432钢的热加工图和热拉伸塑性图并对其中典型的变形机制进行了分析。