摘要 　　簡要介紹一種功能優(yōu)異的過熱器管材用鐵基高溫合金GH2984的成分規(guī)劃與功能.該合 　　金的特色是不含貴重元素Co，且有32%-34%的Fe，因而本錢低價(jià).分析了這一合金制 　　造艦船用和超級(jí)超臨界發(fā)電鍋爐用過熱器的優(yōu)越性.艦船實(shí)踐應(yīng)用成果標(biāo)明，GH2984 　　合金是一種功能優(yōu)異的艦船用過熱器管材合金.該合金也是超級(jí)超臨界燃煤電站鍋爐用 　　過熱器和再熱器管材用鋼的重要候選資料 　　1969年8月4日，中國科學(xué)院金屬研討所開端研發(fā)一種適合我國高參數(shù)艦船主鍋爐過 　　熱器管長時(shí)刻運(yùn)用的新式鐵基高溫合金，按年月日的最后三個(gè)數(shù)字取名984，為了與 　　國標(biāo)命名一致，后正式定名為GH2984.經(jīng)與上海第五鋼鐵廠、哈爾濱703所等單位合 　　作，展開了長達(dá)22年的全面而深化的研討.該合金已在1978年生產(chǎn)出徹底符合要求的 　　GH2984合金管材，制形成新式主鍋爐過熱器，裝于艦船在海上進(jìn)行10年實(shí)踐運(yùn)用查 　　核，全面檢查GH2984管完好無缺，還可持續(xù)運(yùn)用.而原用標(biāo)明，12CrMoV鋼管， 腐 　　蝕問題極為嚴(yán)峻， 一般運(yùn)轉(zhuǎn)不到1x10h，過熱器管就有必要替換，這不但影響艦船正 　　常執(zhí)役，“GH2984管材研并且需求支付巨額費(fèi)用.1991年，制”通過了部級(jí)安排的專 　　家鑒定.2001年，裝有GH2984過熱器的新式鍋爐正式定型并獲獎(jiǎng).近年來，用了近千 　　米直徑25mm， 長2.5mmGH 2984合金管制成過熱器的裝于我國一種新型艦船,兩次 　　出訪亞洲、非洲和歐洲各國,總航程近萬公里,經(jīng)受了各種惡劣條件的考驗(yàn),艦船、鍋爐 　　和過熱器都正常無損 　　，GH2984是本型鍋爐的技能支撐，沒有GH2984，就談不上規(guī)劃本型內(nèi) 　　置式過熱器.GH2984合金管除適于制造艦船用主鍋爐過熱器外，仍是我國超級(jí)超臨界 　　電站機(jī)組過熱器和再熱器的重要候選資料.超級(jí)超臨界蒸汽參數(shù)機(jī)組是國際火力發(fā)電的 　　開展方向.歐美和日本等國家，從上世紀(jì)末開端開展超級(jí)超臨界電站，蒸汽溫度到達(dá) 　　600℃.目前歐美聯(lián)合開發(fā)和開展蒸汽參數(shù)為35MPa， 700/720/720℃超級(jí)超臨界機(jī) 　　組， 其熱效率可達(dá)50%以上， 運(yùn)用了可用于700℃的Inconel40鎳基管材合金.因?yàn)槌? 　　級(jí)超臨界機(jī)組能夠大幅度進(jìn)步燃料的熱效率，對(duì)我國目前很多運(yùn)用的燃煤發(fā)電機(jī)組下 　　降煤耗、節(jié)省能源顯得非常重要.因而，開展高效、節(jié)能、環(huán)保和高牢靠性的大功率燃 　　煤電站是扭轉(zhuǎn)我國電力供應(yīng)嚴(yán)峻形勢(shì)的迫切要求.我國2020年中長遠(yuǎn)規(guī)劃已把600MW 　　級(jí)以上超級(jí)超臨界火力發(fā)電機(jī)組列入重點(diǎn)開發(fā)項(xiàng)目.600--700℃乃至更高溫度運(yùn)用的 　　高溫合金管材就成為開展超級(jí)超臨界電站的技能難關(guān)GH2984合金的研發(fā)成功為超級(jí) 　　超臨界機(jī)組作好了技能儲(chǔ)備，它的首要功能與美國特別金屬公司2003年正式發(fā)布的 　　Inconel 740合金處于同一水平. 　　從化學(xué)成分、力學(xué)功能、化學(xué)功能、長時(shí)刻安排安穩(wěn)性和工藝成型功能等方面的 　　特色，歸納評(píng)述GH2984合金制造艦船和超級(jí)超臨界發(fā)電機(jī)組用過熱器和再熱器的優(yōu) 　　越性. 　　1高鐵無鈷的化學(xué)成分 　　在規(guī)劃GH2984合金時(shí)，與一般高溫合金相同，有必要考慮合金要具有杰出的力學(xué)功 　　能、抗腐蝕功能、安排安穩(wěn)性以及價(jià)格低價(jià)等方面因素.但是，高溫合金管材的生產(chǎn)、 　　特別是高功能管材的生產(chǎn)非常困難，因?yàn)楹辖鸨旧碓诖┕軙r(shí)變形阻力大，不易在中心 　　構(gòu)成孔腔，變形溫度規(guī)模很窄，并且穿管時(shí)溫升又 　　高，加之國內(nèi)穿管設(shè)備轉(zhuǎn)速高、功率有限，不利于高溫合金穿管.所以規(guī)劃GH2984合 　　金化學(xué)成分時(shí)，還有必要一同考慮熱穿管和冷軋、冷拔管所 　　要求的功能.開端選定的成分為Fe基，并含18%Cr，4.4%的Al+Ti，4.6%的W+Mo和 　　0.03%B.合金力學(xué)功能到達(dá)了規(guī)劃要求，特別是700℃，3x10*h的耐久強(qiáng)度到達(dá)140- 　　160MPa， 超過110MPa的規(guī)劃要求.但是穿管時(shí)，管坯穿成豆腐渣相同的碎末，改動(dòng) 　　工藝參數(shù)也無效.經(jīng)過分析以為，Al+Ti高，雖能使'相較多，強(qiáng)度添加，但使變形溫度 　　規(guī)模變窄.B雖可強(qiáng)化晶界，進(jìn)步耐久、蠕變強(qiáng)度，但下降變形溫度規(guī)模的上限溫度.正 　　如圖 　　1所示， 　　B使加工功能惡化.B含量為0.03%時(shí)，溫度超過1120℃，沖擊韌性急劇下降；去掉B 　　后，急劇下降沖擊韌性的溫度進(jìn)步130℃，直到1250℃沖擊韌性才 　　開端下降.顯著去掉合金中的B和下降A(chǔ)l+Ti含量，對(duì)熱加工功能是有利的.一同把Mo含 　　量適當(dāng)添加到2.2%，并用Nb代替W，這即可相同固溶強(qiáng)化，又因?yàn)镹b進(jìn)入'相， 　　使'相的強(qiáng)化效果增強(qiáng)，補(bǔ)嘗了因?yàn)锳l+Ti含量的下降而減弱的丫'沉積強(qiáng)化效果.經(jīng)多次 　　穿管試驗(yàn)和調(diào)整成分，終于使穿管成材率挨近100%，而其它各項(xiàng)功能也都滿意要求. 　　至此GH2984合金的終究成分規(guī)模已 　　徹底確定(見表1). 　　與類似合金(亦見表1)比較， 　　GH2984合金的特色是不含Co， Inconel 740、Inconel 617和Ni monic 263等合金 　　都含有12%-21%的Co.此外GH2984合金含F(xiàn)e32%-34%，相應(yīng)Ni含量減少.節(jié)約Co和 　　Ni不只具有戰(zhàn)略意義，并且也將帶來非常可觀的經(jīng)濟(jì)效益. 　　2 優(yōu)異的力學(xué)功能 　　GH2984合金力學(xué)功能的特色是室溫至高溫拉伸強(qiáng)度以及650—750℃耐久強(qiáng)度杰出. 　　從表2和圖2可見，室溫和700℃拉伸強(qiáng)度顯著高于常用高功能管材合金In-con el 625 　　和Ni monic 263， 但稍低于Inconel 740， 而延伸率和面縮率保持在很高水平，徹 　　底符合規(guī)劃要求.因?yàn)榕灤缅仩t要求壽命長，規(guī)劃部門提出700℃，3×10*h是最低 　　要求.因而，3x10°h下耐久強(qiáng)度不該低于110MPa.從表2看出， 雖然四種合金都滿意 　　這一要求，但GH 2984合金耐久強(qiáng)度高于Ni monic 263， 與Inconel625附近.從表2 　　和圖2還可見， 　　GH2984合金在700℃，1969年中國開展的3×10*h和10×10*h的耐久強(qiáng)度， 與2003 　　年美國發(fā)布的Inconel 740合金處于同一水平.一同，650和750℃的耐久強(qiáng)度也根本相 　　同(圖2).10×10*h的耐久強(qiáng)度是超級(jí)超臨界電站的最低要求，從表2可見， Ni monic 　　263已不能滿意要求， 只要GH 2984和Inconel 740能夠擔(dān)任這一任務(wù).3 耐蝕性杰出 　　的化學(xué)功能化學(xué)功能一般包含抗氧化和抗腐蝕功能.作為艦船用和超級(jí)超臨界鍋爐用過 　　熱器管材，要接受高溫氧化和燃?xì)饣蛘羝h(huán)境腐蝕效果，前者還要飽嘗海水腐蝕效果. 　　假如沒 　　有杰出的化學(xué)功能，力學(xué)功能再好也不能確保零件長時(shí)刻運(yùn)用.杰出的耐蝕功能是確保 　　過熱器長時(shí)刻運(yùn)用的關(guān)鍵指標(biāo)之GH2984合金的特色之一是具有杰出的耐腐蝕性. 　　一、 　　從表37給出的GH2984合金經(jīng)700-900℃氧化100h氧化速率數(shù)據(jù)標(biāo)明， 　　700℃的平均氧化速率僅為0.0058g/(m.h)，遠(yuǎn)小于艦船對(duì)合金資料的低于 　　0.009-0.15g/(m.h)的要求，顯著優(yōu)于同類型鐵基合金GH2135和GH1140.這首要是 　　因?yàn)镚H2984合金Cr含量比較高(18%一20%)，可構(gòu)成細(xì)密而牢固的Cr2O：為主的氧 　　化膜，所以抗氧化性杰出.此外，合金中還含有少數(shù)的Al和Ti，對(duì)抗氧化性也有益，并 　　且它們與Cr一同協(xié)同效果會(huì)使抗氧化性更好. 　　按YB44-64部頒規(guī)范，經(jīng)B法晶界腐蝕試驗(yàn)成果標(biāo)明， GH2984合金在各種不同熱處 　　理?xiàng)l件或焊接后均沒有發(fā)生晶界腐蝕，抗晶界腐蝕功能杰出.一同，抗海水腐蝕功能優(yōu) 　　異，在兩種人工海水(表4)中，經(jīng)40℃，96h 　　試驗(yàn)標(biāo)明， 　　GH2984合金在第一種海水中無點(diǎn)蝕和晶間腐蝕， 沒有發(fā)現(xiàn)失重現(xiàn)象.在第二種含有 　　FeCl 3強(qiáng)氧化劑的海水中，點(diǎn)腐蝕和腐蝕率很低，僅1Cr18Ni9Ti不銹鋼的一半.為了對(duì) 　　合金管材進(jìn)行實(shí)踐耐海水腐蝕功能查核， 將規(guī)范熱處理狀況的直徑25mm， 長 　　2mmGH 2984合金管，放在廈門地區(qū)海洋中飽嘗1年零9個(gè)月浸泡，成果標(biāo)明，管材 　　內(nèi)外外表杰出，未顯著受海水腐蝕⑦.因?yàn)镚H2984合金C含量小于0.08%，并且除有 　　較高的Cr含量外，還含有少數(shù)Ti和Nb強(qiáng)碳化物構(gòu)成元素，然后避免了很多M23Cs的 　　分出而形成接近晶界處的基體貧Cr，因而GH2984合金具有杰出的抗晶間腐蝕才干， 　　這也是該合金具有杰出抗海水腐蝕性的原因.高溫合金的熱腐蝕是在高溫燃?xì)庵泻蛉? 　　料和含鹽環(huán)境因?yàn)槿紵练e在外表的硫酸鹽引起的加快氧化現(xiàn)象，它對(duì)高溫合金零 　　件的破壞效果比單純高溫氧化要嚴(yán)峻得多.為此，本作業(yè)選用坩堝法和單管燃?xì)鉄岣g 　　法，研討了GH2984合金的抗熱腐蝕功能，在25%NaCl+75%Nag SO 4熔鹽強(qiáng)腐蝕 　　介質(zhì)中， 經(jīng)650―820℃保溫3h，腐蝕失重成果(表5)標(biāo)明，GH2984合金在750℃以 　　下，與對(duì)比試樣GH1140和GH2135合金腐蝕速率根本適當(dāng)， 750℃以上GH2984耐 　　熱腐蝕功能最好.單管燃?xì)飧g用燃料為艦船燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)用的輕柴油，鹽霧用配制的人 　　工海水參加，為加快試驗(yàn)進(jìn)行，選用高鹽濃度100×10-6，試驗(yàn)溫度900℃，時(shí)刻 　　25h，試驗(yàn)成果(表5)標(biāo)明，GH2984合金抗熱腐蝕功能比GH2135合金好，與 　　GH1140合金適當(dāng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于鎳基鑄造高溫合金K403，見表57.合金中高Cr含量有利 　　于外表生成Cr2Os為主的氧化膜，然后確保合金具有優(yōu)異的抗熱腐蝕性.因而， 　　GH2984合金的杰出化學(xué)功能能夠確保過熱器長時(shí)刻運(yùn)用的要求. 　　4 較為安穩(wěn)的顯微安排 　　GH2984合金管的經(jīng)常作業(yè)溫度為700℃.經(jīng)1×10-18×10h長時(shí)刻時(shí)效后的安排和力學(xué) 　　功能研討成果標(biāo)明， GH2984合金安排和功能在作業(yè)溫度下是比 　　較安穩(wěn)的，滿意大型艦船及超級(jí)超臨界電站鍋爐長時(shí)刻運(yùn)用的需求.700℃ 　　合金經(jīng)規(guī)范熱處理后，γ奧氏體基體的晶粒度為4一6級(jí)，晶界分出相較少. 　　Y'相呈球形，彌散均勻散布于y基體， 丫'相直徑約23nm，數(shù)量為5.74%，是合金的 　　首要強(qiáng)化相.此外， 還有少數(shù)MC相， 包含NbC， Ti(N，C)，它們是凝結(jié)結(jié)晶進(jìn)程中 　　分出的，散布于晶內(nèi)和晶界，尺度巨細(xì)為1-10μm，在合金中的數(shù)量為0.52%.經(jīng) 　　700℃不一同間長時(shí)刻時(shí)效后，丫'相顆粒半徑隨時(shí) 　　效時(shí)刻t1/3呈直線添加，遵循一般顆粒長大速率的擴(kuò)散 　　操控粗化動(dòng)力學(xué)規(guī)律. 　　丫'相的數(shù)量緩慢添加，到18×10h添加至7.23%(表6).Y'相數(shù)量的添加補(bǔ)償了丫相長大 　　對(duì)合金強(qiáng)度的影響.Y'相成分的分析標(biāo)明，長時(shí)刻時(shí)效進(jìn)程中丫'相化學(xué)組成改變不大 　　[10].700℃長時(shí)刻時(shí)效進(jìn)程中， NbC和Ti(CN) 等碳化物的數(shù)量略有添加(表6)，由規(guī) 　　范熱處理狀況的0.52%添加至18×10°h的0.66%，且化學(xué)成分根本不變，只是在 　　18×10h時(shí)效后，碳化物中有少數(shù)Cr出現(xiàn)，顯著是M23C：在晶界沉積增多的成果.電 　　鏡觀察標(biāo)明，晶界上分出一些塊狀M23C：和o相(圖3)，前者可阻撓晶界滑動(dòng)，有利 　　于耐久強(qiáng)度的進(jìn)步.口相在700℃，5×10h今后才被發(fā)現(xiàn)，并且數(shù)量很少，至 　　18×103h，也僅有1.79%(見表6)，o相屬FeC r型， 晶格常數(shù) 　　a=0.890nm， c=0.460nm. 　　規(guī)范熱處理狀況相的化學(xué)成分為(Feo.68Nio.32)(Cr 0.46Mo 0.23Tio.27Nb 0.04) ， 　　長時(shí)刻時(shí)效進(jìn)程中化學(xué)組成沒有顯著改變[10].o相首要散布在晶界，且首要呈小塊狀 　　或顆粒狀，見圖3].即便700℃長時(shí)刻時(shí)效達(dá)12.285×10h時(shí)，也僅在晶界兩邊出現(xiàn)少 　　數(shù)短棒狀o相，見圖41.到1.8×10h，o相形態(tài)和數(shù)量根本相同.沒有發(fā)現(xiàn)長針狀，乃至 　　穿過整個(gè)晶粒的口相，也未發(fā)現(xiàn)魏氏安排的叮相.o相對(duì)力學(xué)功能的影響，一般首要表 　　現(xiàn)在兩方面，即弱化和脆化效果，弱化效果是因?yàn)椤Ｏ嗟姆殖觯够w中固溶強(qiáng)化元 　　素Cr，Mo，Nb等減少，然后削弱基體的固溶強(qiáng)化效果.但這與口相數(shù)量有關(guān)，只要較 　　多的c相分出，一般在5%以上，才干顯著削弱!基體的固溶強(qiáng)化效果. GH2984合金經(jīng) 　　700℃，少于5×10h時(shí)效，無o相分出，即便在700℃，200MPa條件下，應(yīng)力時(shí)效 　　3.804×10h，也未發(fā)現(xiàn)。相，見圖5.當(dāng)時(shí)效5×10h，也只要極微量0相(0.19%)， 　　9×10h才有0.62%，12×10h僅添加到1.01%，到18×10h也只不過1.79%.因而，這么 　　少的o相不會(huì)對(duì)力學(xué)功能發(fā)生顯著影響.其次，GH2894合金經(jīng)700℃長時(shí)刻時(shí)效后，不 　　只o相數(shù)量少，并且大多呈塊狀或顆粒狀，然后使口相的脆化效果遭到顯著按捺.一般 　　高溫合金中長針狀c相的慣習(xí)面是{111}，而面心立方基體中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的滑移面也是 　　{111}.當(dāng)一組位錯(cuò)沿{111}晶面族中某一晶面滑移，在片狀o相前受阻，而片狀0相平行于同屬于{111}晶面族的另一晶面， 按Stroh理論[11] ， 這一位錯(cuò)塞積在與滑移面 　　(111) 成70.5°的面上發(fā)生最大周向拉應(yīng)力0max，而(11I)面與(111)面所成的視點(diǎn)也正 　　是70.5°.可見o相與基體相界面的法線方向是最大拉應(yīng)力效果的方向.這樣，一方面o相 　　與”基體相界面結(jié)合較弱，另一方面這一界面又處于由位錯(cuò)塞積引起的最大拉應(yīng)力效 　　果的方位.因而，裂紋總是在相界面形核，并沿相界面擴(kuò)展，導(dǎo)致裂紋連通而開裂發(fā)生 　　顯著脆化效果.但是，GH2984合金經(jīng)700℃長時(shí)刻時(shí)效分出的相數(shù)量少，并且以塊狀或顆粒狀占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，所以對(duì)力學(xué)功能影響較小.表7也能夠證明這一點(diǎn).經(jīng)700℃長時(shí) 　　刻時(shí)效長達(dá)3×10h進(jìn)程中，GH2984合金強(qiáng)度和塑性均沒有顯著改變.沖擊韌性在 　　5×10h時(shí)效后，由規(guī)范熱處理狀況的145J/cm下降至62J/cm，斷口為穿晶韌性斷 　　口.這顯著與'數(shù)量增多、M23C：的分出等因素有關(guān).超過5x10h時(shí)效，雖有少數(shù)g相分 　　出，但沖擊韌性根本安穩(wěn)在30J/cm左右的水平上.GH141是鎳基中等沉積強(qiáng)化的板材 　　合金，在航空航天和燃?xì)廨啓C(jī)上做火焰筒等零件長時(shí)刻運(yùn)用，在其作業(yè)溫度760℃別 　　離時(shí)效100，300，500，1200h后，其室溫沖擊韌性別離為17.5，13.5，11.0和 　　6.8J/cm12]，9×10-18×10h長時(shí)刻可見GH2984合金經(jīng)700℃，時(shí)效后沖擊韌性保 　　持在適當(dāng)高的水平，能夠確保合金管材長時(shí)刻牢靠運(yùn)用.美國新近研討的Inconel 740合金， 長時(shí)刻時(shí)效進(jìn)程除丫'長大外，還要分出n相和G相[13.在704℃時(shí)效1×10- 　　2x10h，G相的數(shù)量在0.046%-0.063%規(guī)模.而在760℃時(shí)效相同時(shí)刻，G相數(shù)量添加 　　到0.336%—0.471%.而刀相有魏氏安排散布趨勢(shì)，這顯著對(duì)力學(xué)功能是不利的.但在 　　作業(yè)溫度704℃，刀相和 　　G相分出的數(shù)量較少，形態(tài)不是長針狀，而是顆粒狀，因而對(duì)力學(xué)功能影響不大.與 　　GH2984合金在700℃的行為根本相同.從以上分析能夠看出，作溫度規(guī)模的安排是比 　　較安穩(wěn)的，然后確保了長時(shí)刻運(yùn)用中力學(xué)功能的安穩(wěn).GH2984合金在工 　　5易于成型的工藝功能作為一個(gè)管材用高溫合金，除了很好的力學(xué)功能和優(yōu) 　　異的化學(xué)功能外，工藝功能有必要杰出，否則將無法制成零件，進(jìn)行實(shí)踐運(yùn) 　　用.GH2984合金在工藝功能方面的特色是冷熱壓力加工功能好，特別是管材成型功能 　　優(yōu)異.由900一1300℃的高溫沖擊、高溫拉伸、高溫墩粗、 　　高溫扭轉(zhuǎn)及晶粒長大傾向性的體系試驗(yàn)標(biāo)明，GH2984合金高溫塑性杰出，變形抗力 　　低，熱加工溫度規(guī)模寬，晶粒長大傾向性小國，熱穿管坯料的加熱溫度為1100℃，穿 　　管時(shí)溫度升高達(dá)1160-1180℃.穿出的荒管質(zhì)量較好，成品率較高.各種參數(shù)操控得 　　當(dāng)，穿管成品率可達(dá)100%.冷軋冷拔工藝功能與1Cr18Ni9Ti相似.無論是選用單一的冷 　　軋或冷拔工藝，仍是選用冷軋與冷拔聯(lián)合工藝，進(jìn)行冷變形，均可取得外表質(zhì)量和尺 　　度公差符合要求(YB804―20)的規(guī)范鋼管.GH2984合金管擴(kuò)口功能杰出，在不同熱處理 　　準(zhǔn)則下均能很好擴(kuò)口，擴(kuò)口率達(dá)38%.一同，管子壓扁功能也很好，管壁間距達(dá)壁厚的3一4倍，也無任何問題.彎管試驗(yàn)在彎管機(jī)上進(jìn)行，彎管半徑為65mm，彎管視點(diǎn)為 　　180°，彎管功能杰出，外表潤滑無裂紋.GH2984合金管工藝功能中最為難能可貴的是 　　脹管功能極好，特別適于艦船用脹接式過熱器的制造.脹管試驗(yàn)成果見表81.脹管后經(jīng) 　　40，60，100，120kg/cm水壓打壓后，滴水不漏，標(biāo)明脹管功能優(yōu)異.在艦船上實(shí) 　　踐安裝工藝功能試驗(yàn)證明，GH 2984管與15CrMo管脹接，脹管率在1.4%-4.4%之 　　間，GH2984合金管沒有發(fā)生起皮和裂紋等任何問題，滿意冷態(tài)下的脹接與超壓試壓 　　需求，徹底符合鍋爐冷態(tài)安裝技能要求，也能滿意超級(jí)超臨界電站鍋爐過熱器制造需 　　求. 　　6 結(jié)語 　　GH2984合金力學(xué)功能和化學(xué)功能優(yōu)異，工藝功能杰出，長時(shí)刻安排和力學(xué)功能安 　　穩(wěn)，是一種本錢低價(jià)的過熱器管材用鐵基高溫合金，適于制造艦船用鍋爐過熱器，也 　　可制造超級(jí)超臨界電站鍋爐用過熱器和再熱器.