回火热处理对T91耐热钢持久性能的影响及持久过程中的微观组织演(2)

(3) 常温力学性能 高的抗拉强度和屈服强度,良好的冲击韧性;

(4) 工艺性能 优良的热加工性能、焊接性能及热弯曲性能;

(5) 物理性能 低热膨胀系数和良好导热性;

(6) 良好的经济性能。

1.1.3 超超临界电站锅炉用关键材料

毋庸置疑，超超临界机组的发展是以材料的发展为基础的，在高温高压下运

行的材料要求具有良好的高温强度和优异的抗氧化性能等，超超临界机组所需高压

锅炉管品种为例，见图1-5，新产品比例约达到59%[8]，因此，锅炉行业迫切希望

我国的冶金行业能研制和批量生产这些产品，以替代进口产品。

图1-2 1000MW超超临界机组所需钢管品种[8]

Fig.1-2 Products needed by1000MW USC units[8]

1.2 T91（P91）铁素体耐热钢介绍

上世纪80 年代,美国CE 公司与美国橡树岭国家实验室联合开发成功T91 钢。该

钢是在T9(9Cr1Mo) 钢的基础上，添加V、Nb、N 等元素而成的新型耐热钢，可用于

制造金属壁温<625 °C的高压锅炉再热器、过热器等受热面管和金属壁温≤600 °C的锅

炉集箱、蒸汽导管等。从1984 年起,美、法等国家就广泛用T91 钢取代奥氏体钢

TP304H，用以制造压力容器、核反应堆及锅炉产品。1987 年我国从日本进口了T91 锅

炉钢管。“八五”期间,开始对其进行消化性的科学研究。试验得知：T91 钢具有高的

热强性能,良好的持久塑性和焊接性能。T91 钢600 °C时的热强性是T9钢的三倍，在

625 °C以下与TP304H钢相当，与奥氏体钢焊接接头没有早期失效敏感性，此外,该钢

还具有良好的抗氧化和抗腐蚀性能。这些特性使其可替代钢102、TP304H，适合应用

在工作温度≤625 °C的过热器和再热器上，并已逐步成为我国制造大容量亚临界和超

临界电站锅炉的主要候选钢种。1995 年该钢以“10Cr9Mo1VNb”牌号正式列入

GB5310高压锅炉管标准。由于T91钢有这些优良的特性, 需求量大（占超（超）临界

机组用材的16%～20%，年需求量4万吨左右）,进口昂贵（吨钢价格4万～5万人民币），国内成都无缝钢管厂于1990 年率先开始研制国产T91 钢管, 以替代进口产品。随后,

又有一些生产厂进行了试制和研究。但是由于T91 钢管生产难度较高,一些技术难点

并未很好解决。为此,锅炉行业迫切希望宝钢能研制和大批量生产T91 高压锅炉管产

品,以替代进口产品。为了满足锅炉行业制造亚临界、超临界电站锅炉的迫切要求,宝

山钢铁股份公司钢管分公司于1999 年初开始研制T91 高压锅炉管,并先后经历了钢

种试制、产品试轧、性能评定、批量生产等阶段,现已形成了大批量生产和供货能力[9,

10] 。

1.2.1 T91化学成分

T91是70年代中期，美国在T9钢(9Cr-1Mo)基础上，通过添加V、Nb、N元

素析出强化作用，提高了钢持久蠕变断裂强度，在600℃时的蠕变强度差不多是T9

钢的3倍，与TP304H钢在625℃温度下等强，并且持久断裂塑性稳定。经过多年

的运行检验，T91已成为一个成熟的锅炉用钢种，被世界各国广泛地应用到超（超）

临界机组。我国在1995年GB5310《高压锅炉用无缝钢管》标准修订时，将T91纳

入到我国标准中，钢号为10Cr9Mo1VNb[11] 。

ASMESA-213 规范[12]规定T91 钢的化学成分列于表1-2 。化学成分决定钢的力

学性能,标准只是给出了一个成分范围,要想取得最佳的性能配合,就需要对成分进行

优化和控制。标准规定了T91钢的强度的下限值和硬度的上限值,过高的硬度不利于钢

管的加工性能,而T91 钢是在9Cr1Mo钢的基础上添加V、Nb、N 合金元素,形成了MC

相弥散强化,提高了钢的热强性。9% 的Cr 含量在提高抗氧化性。另外,T91 钢中Al、

Ti、S 等残余和杂质元素含量过高,可造成弥散相Nb、V(C、N) 分布不均匀和体积份

额的降低,从而引起蠕变断裂强度的降低。其中硫(S) 是引起原晶界弱化的主要杂质元

素,是导致T91 钢蠕变脆化的主要原因[13]。试验研究还表明,在T91 钢中,随V含量的增

加持久强度将下降[14]。因此,我们在制定宝钢T91内控化学成分时,对Cr、S、Al、V 等

元素都实施了严格的控制。

表1-2 T91化学成分 （单位：%）

Table 1- 2 Chemical Composition of T91 steel (Unit:%)

标准 C Si Mn S P Cr Mo V Ni Al Nb N

≤

0.0208.00~9.500.85~1.050.18~0.250.06~0.40 0.040 0.10≤ ≤ 0.030~0.070ASME 0.08~ 0.20~ 0.30~ ≤0.010SA-213 0.12 0.50 0.60

1.2.2 合金元素的作用

铁素体耐热钢中主要合金作用[15]：

碳（C）：形成碳化物

提高钢的强度，但含碳量增加会降低高温蠕变强度，也会使焊接性能恶化，

因此，一般珠光体耐热钢中碳含量均小于0.25%。

钼（Mo）：固溶强化

Mo是珠光体耐热钢中强化铁素体的最主要元素，当含量在0.5～1.0时，显

著提高珠光体耐热钢的蠕变抗力，当含量大于1.5%时，作用减弱，因此，珠光

体耐热钢Mo含量一般都在1.5%以下。

单纯加Mo的珠光体耐热钢（如15Mo），在高温长期工作下有石墨化倾向，

使钢的强度急剧降低，因此，目前在珠光体耐热钢中还加入Cr、V等元素以防

止石墨化。

铬（Cr）：提高抗氧化性，形成M23C6主要元素

在含Mo的钢中加入0.7%Cr，可以阻止碳化物分解成石墨，因此，单纯的

Mo钢发展成Cr－Mo钢系，如15CrMo、20CrMo等。当Cr含量加入到1～1.5

时，钢的蠕变强度最高。

钒（V）：形成MX

在钢中加入0.2～0.3%V，可以阻止碳化物的石墨化倾向。V的加入可提高

钢的蠕变强度。另外V形成碳化物的能力比Mo强，因此，加入V后，可把钢

中的Mo部分或全部地从碳化物相中排挤出去，而使Mo进入到铁素体中提高铁

素体的热强性。加V的珠光体耐热钢，碳化物均呈细片状，稳定而不易聚合，

所以能起到弥散强化作用。根据这一原理，珠光体耐热钢从Cr－Mo钢系进一

步发展到Cr－Mo－V系。如12CrMoV、12Cr1MoV等。

钨（W）：固溶强化，延缓M23C6组化。

W或Mo一样，加入的目的是强化铁素体，但其效果是Mo的一半，通常

把W作为1／2Mo当量来看待。

硼（B）：稳定M23C6延缓其粗化

B提高蠕变强度及淬透性，强化晶界，稳定M23C6颗粒，并延缓其粗化[16, 17]。

1.3 T91钢的强化机制

金属的蠕变强度与金属显微结构有着非常密切的关系。由于化学组成的微小变化

和热处理的条件的不同，金属的蠕变强度可以有巨大的变化。目前所知的是，由于热

处理条件的不同，9Cr钢的组织和硬度有很大变化。关于热处理条件对蠕变行为的影

响，研究人员们已经做了非常多的探讨。就整体而言，汇总如下：淬火温度越高，蠕

变断裂强度越高，但超过1100°C强度不再提高。另外，淬火温度对低温短时间的强度

效果大，但在高温长时间下的强度效果小。藤田等指出，对于这些变化最有影响的是

由于淬火温度的不同而引起析出物形成元素的固溶量的变化。另一方面，回火温度越

高，低温短时间的强度越低，而高温长时间的强度越高。1990年，伊势田等指出，在

回火温度低的时候，回火马氏体中的位错密度高，蠕变过程中快速回复，强度下降，

但在回火温度高时，位 …… 此处隐藏：2944字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……