摘要 　　簡要介紹一種功能優異的過熱器管材用鐵基高溫合金GH2984的成分規劃與功能.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.分析了這一合金制 　　造艦船用和超級超臨界發電鍋爐用過熱器的優越性.艦船實踐應用成果標明，GH2984 　　合金是一種功能優異的艦船用過熱器管材合金.該合金也是超級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，中國科學院金屬研討所開端研發一種適合我國高參數艦船主鍋爐過 　　熱器管長時刻運用的新式鐵基高溫合金，按年月日的最后三個數字取名984，為了與 　　國標命名一致，后正式定名為GH2984.經與上海第五鋼鐵廠、哈爾濱703所等單位合 　　作，展開了長達22年的全面而深化的研討.該合金已在1978年生產出徹底符合要求的 　　GH2984合金管材，制形成新式主鍋爐過熱器，裝于艦船在海上進行10年實踐運用查 　　核，全面檢查GH2984管完好無缺，還可持續運用.而原用標明，12CrMoV鋼管， 腐 　　蝕問題極為嚴峻， 一般運轉不到1x10h，過熱器管就有必要替換，這不但影響艦船正 　　常執役，“GH2984管材研并且需求支付巨額費用.1991年，制”通過了部級安排的專 　　家鑒定.2001年，裝有GH2984過熱器的新式鍋爐正式定型并獲獎.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,經受了各種惡劣條件的考驗,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，就談不上規劃本型內 　　置式過熱器.GH2984合金管除適于制造艦船用主鍋爐過熱器外，仍是我國超級超臨界 　　電站機組過熱器和再熱器的重要候選資料.超級超臨界蒸汽參數機組是國際火力發電的 　　開展方向.歐美和日本等國家，從上世紀末開端開展超級超臨界電站，蒸汽溫度到達 　　600℃.目前歐美聯合開發和開展蒸汽參數為35MPa， 700/720/720℃超級超臨界機 　　組， 其熱效率可達50%以上， 運用了可用于700℃的Inconel40鎳基管材合金.因為超 　　級超臨界機組能夠大幅度進步燃料的熱效率，對我國目前很多運用的燃煤發電機組下 　　降煤耗、節省能源顯得非常重要.因而，開展高效、節能、環保和高牢靠性的大功率燃 　　煤電站是扭轉我國電力供應嚴峻形勢的迫切要求.我國2020年中長遠規劃已把600MW 　　級以上超級超臨界火力發電機組列入重點開發項目.600--700℃乃至更高溫度運用的 　　高溫合金管材就成為開展超級超臨界電站的技能難關GH2984合金的研發成功為超級 　　超臨界機組作好了技能儲備，它的首要功能與美國特別金屬公司2003年正式發布的 　　Inconel 740合金處于同一水平. 　　從化學成分、力學功能、化學功能、長時刻安排安穩性和工藝成型功能等方面的 　　特色，歸納評述GH2984合金制造艦船和超級超臨界發電機組用過熱器和再熱器的優 　　越性. 　　1高鐵無鈷的化學成分 　　在規劃GH2984合金時，與一般高溫合金相同，有必要考慮合金要具有杰出的力學功 　　能、抗腐蝕功能、安排安穩性以及價格低價等方面因素.但是，高溫合金管材的生產、 　　特別是高功能管材的生產非常困難，因為合金本身在穿管時變形阻力大，不易在中心 　　構成孔腔，變形溫度規模很窄，并且穿管時溫升又 　　高，加之國內穿管設備轉速高、功率有限，不利于高溫合金穿管.所以規劃GH2984合 　　金化學成分時，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.合金力學功能到達了規劃要求，特別是700℃，3x10*h的耐久強度到達140- 　　160MPa， 超過110MPa的規劃要求.但是穿管時，管坯穿成豆腐渣相同的碎末，改動 　　工藝參數也無效.經過分析以為，Al+Ti高，雖能使'相較多，強度添加，但使變形溫度 　　規模變窄.B雖可強化晶界，進步耐久、蠕變強度，但下降變形溫度規模的上限溫度.正 　　如圖 　　1所示， 　　B使加工功能惡化.B含量為0.03%時，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Al+Ti含量，對熱加工功能是有利的.一同把Mo含 　　量適當添加到2.2%，并用Nb代替W，這即可相同固溶強化，又因為Nb進入'相， 　　使'相的強化效果增強，補嘗了因為Al+Ti含量的下降而減弱的丫'沉積強化效果.經多次 　　穿管試驗和調整成分，終于使穿管成材率挨近100%，而其它各項功能也都滿意要求. 　　至此GH2984合金的終究成分規模已 　　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Fe32%-34%，相應Ni含量減少.節約Co和 　　Ni不只具有戰略意義，并且也將帶來非常可觀的經濟效益. 　　2 優異的力學功能 　　GH2984合金力學功能的特色是室溫至高溫拉伸強度以及650—750℃耐久強度杰出. 　　從表2和圖2可見，室溫和700℃拉伸強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 　　底符合規劃要求.因為艦船用鍋爐要求壽命長，規劃部門提出700℃，3×10*h是最低 　　要求.因而，3x10°h下耐久強度不該低于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的耐久強度， 與2003 　　年美國發布的Inconel 740合金處于同一水平.一同，650和750℃的耐久強度也根本相 　　同(圖2).10×10*h的耐久強度是超級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能夠擔任這一任務.3 耐蝕性杰出 　　的化學功能化學功能一般包含抗氧化和抗腐蝕功能.作為艦船用和超級超臨界鍋爐用過 　　熱器管材，要接受高溫氧化和燃氣或蒸汽環境腐蝕效果，前者還要飽嘗海水腐蝕效果. 　　假如沒 　　有杰出的化學功能，力學功能再好也不能確保零件長時刻運用.杰出的耐蝕功能是確保 　　過熱器長時刻運用的關鍵指標之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700-900℃氧化100h氧化速率數據標明， 　　700℃的平均氧化速率僅為0.0058g/(m.h)，遠小于艦船對合金資料的低于 　　0.009-0.15g/(m.h)的要求，顯著優于同類型鐵基合金GH2135和GH1140.這首要是 　　因為GH2984合金Cr含量比較高(18%一20%)，可構成細密而牢固的Cr2O：為主的氧 　　化膜，所以抗氧化性杰出.此外，合金中還含有少數的Al和Ti，對抗氧化性也有益，并 　　且它們與Cr一同協同效果會使抗氧化性更好. 　　按YB44-64部頒規范，經B法晶界腐蝕試驗成果標明， GH2984合金在各種不同熱處 　　理條件或焊接后均沒有發生晶界腐蝕，抗晶界腐蝕功能杰出.一同，抗海水腐蝕功能優 　　異，在兩種人工海水(表4)中，經40℃，96h 　　試驗標明， 　　GH2984合金在第一種海水中無點蝕和晶間腐蝕， 沒有發現失重現象.在第二種含有 　　FeCl 3強氧化劑的海水中，點腐蝕和腐蝕率很低，僅1Cr18Ni9Ti不銹鋼的一半.為了對 　　合金管材進行實踐耐海水腐蝕功能查核， 將規范熱處理狀況的直徑25mm， 長 　　2mmGH 2984合金管，放在廈門地區海洋中飽嘗1年零9個月浸泡，成果標明，管材 　　內外外表杰出，未顯著受海水腐蝕⑦.因為GH2984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Ti和Nb強碳化物構成元素，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氣中含硫燃 　　料和含鹽環境因為燃燒而沉積在外表的硫酸鹽引起的加快氧化現象，它對高溫合金零 　　件的破壞效果比單純高溫氧化要嚴峻得多.為此，本作業選用坩堝法和單管燃氣熱腐蝕 　　法，研討了GH2984合金的抗熱腐蝕功能，在25%NaCl+75%Nag SO 4熔鹽強腐蝕 　　介質中， 經650―820℃保溫3h，腐蝕失重成果(表5)標明，GH2984合金在750℃以 　　下，與對比試樣GH1140和GH2135合金腐蝕速率根本適當， 750℃以上GH2984耐 　　熱腐蝕功能最好.單管燃氣腐蝕用燃料為艦船燃氣輪機運用的輕柴油，鹽霧用配制的人 　　工海水參加，為加快試驗進行，選用高鹽濃度100×10-6，試驗溫度900℃，時刻 　　25h，試驗成果(表5)標明，GH2984合金抗熱腐蝕功能比GH2135合金好，與 　　GH1140合金適當，遠遠優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異的抗熱腐蝕性.因而， 　　GH2984合金的杰出化學功能能夠確保過熱器長時刻運用的要求. 　　4 較為安穩的顯微安排 　　GH2984合金管的經常作業溫度為700℃.經1×10-18×10h長時刻時效后的安排和力學 　　功能研討成果標明， GH2984合金安排和功能在作業溫度下是比 　　較安穩的，滿意大型艦船及超級超臨界電站鍋爐長時刻運用的需求.700℃ 　　合金經規范熱處理后，γ奧氏體基體的晶粒度為4一6級，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，數量為5.74%，是合金的 　　首要強化相.此外， 還有少數MC相， 包含NbC， Ti(N，C)，它們是凝結結晶進程中 　　分出的，散布于晶內和晶界，尺度巨細為1-10μm，在合金中的數量為0.52%.經 　　700℃不一同間長時刻時效后，丫'相顆粒半徑隨時 　　效時刻t1/3呈直線添加，遵循一般顆粒長大速率的擴散 　　操控粗化動力學規律. 　　丫'相的數量緩慢添加，到18×10h添加至7.23%(表6).Y'相數量的添加補償了丫相長大 　　對合金強度的影響.Y'相成分的分析標明，長時刻時效進程中丫'相化學組成改變不大 　　[10].700℃長時刻時效進程中， NbC和Ti(CN) 等碳化物的數量略有添加(表6)，由規 　　范熱處理狀況的0.52%添加至18×10°h的0.66%，且化學成分根本不變，只是在 　　18×10h時效后，碳化物中有少數Cr出現，顯著是M23C：在晶界沉積增多的成果.電 　　鏡觀察標明，晶界上分出一些塊狀M23C：和o相(圖3)，前者可阻撓晶界滑動，有利 　　于耐久強度的進步.口相在700℃，5×10h今后才被發現，并且數量很少，至 　　18×103h，也僅有1.79%(見表6)，o相屬FeC r型， 晶格常數 　　a=0.890nm， c=0.460nm. 　　規范熱處理狀況相的化學成分為(Feo.68Nio.32)(Cr 0.46Mo 0.23Tio.27Nb 0.04) ， 　　長時刻時效進程中化學組成沒有顯著改變[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℃長時刻時效達12.285×10h時，也僅在晶界兩邊出現少 　　數短棒狀o相，見圖41.到1.8×10h，o相形態和數量根本相同.沒有發現長針狀，乃至 　　穿過整個晶粒的口相，也未發現魏氏安排的叮相.o相對力學功能的影響，一般首要表 　　現在兩方面，即弱化和脆化效果，弱化效果是因為。相的分出，使基體中固溶強化元 　　素Cr，Mo，Nb等減少，然后削弱基體的固溶強化效果.但這與口相數量有關，只要較 　　多的c相分出，一般在5%以上，才干顯著削弱!基體的固溶強化效果. GH2984合金經 　　700℃，少于5×10h時效，無o相分出，即便在700℃，200MPa條件下，應力時效 　　3.804×10h，也未發現。相，見圖5.當時效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相不會對力學功能發生顯著影響.其次，GH2894合金經700℃長時刻時效后，不 　　只o相數量少，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相的慣習面是{111}，而面心立方基體中位錯運動的滑移面也是 　　{111}.當一組位錯沿{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] ， 這一位錯塞積在與滑移面 　　(111) 成70.5°的面上發生最大周向拉應力0max，而(11I)面與(111)面所成的視點也正 　　是70.5°.可見o相與基體相界面的法線方向是最大拉應力效果的方向.這樣，一方面o相 　　與”基體相界面結合較弱，另一方面這一界面又處于由位錯塞積引起的最大拉應力效 　　果的方位.因而，裂紋總是在相界面形核，并沿相界面擴展，導致裂紋連通而開裂發生 　　顯著脆化效果.但是，GH2984合金經700℃長時刻時效分出的相數量少，并且以塊狀或顆粒狀占絕對優勢，所以對力學功能影響較小.表7也能夠證明這一點.經700℃長時 　　刻時效長達3×10h進程中，GH2984合金強度和塑性均沒有顯著改變.沖擊韌性在 　　5×10h時效后，由規范熱處理狀況的145J/cm下降至62J/cm，斷口為穿晶韌性斷 　　口.這顯著與'數量增多、M23C：的分出等因素有關.超過5x10h時效，雖有少數g相分 　　出，但沖擊韌性根本安穩在30J/cm左右的水平上.GH141是鎳基中等沉積強化的板材 　　合金，在航空航天和燃氣輪機上做火焰筒等零件長時刻運用，在其作業溫度760℃別 　　離時效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長時刻可見GH2984合金經700℃，時效后沖擊韌性保 　　持在適當高的水平，能夠確保合金管材長時刻牢靠運用.美國新近研討的Inconel 740合金， 長時刻時效進程除丫'長大外，還要分出n相和G相[13.在704℃時效1×10- 　　2x10h，G相的數量在0.046%-0.063%規模.而在760℃時效相同時刻，G相數量添加 　　到0.336%—0.471%.而刀相有魏氏安排散布趨勢，這顯著對力學功能是不利的.但在 　　作業溫度704℃，刀相和 　　G相分出的數量較少，形態不是長針狀，而是顆粒狀，因而對力學功能影響不大.與 　　GH2984合金在700℃的行為根本相同.從以上分析能夠看出，作溫度規模的安排是比 　　較安穩的，然后確保了長時刻運用中力學功能的安穩.GH2984合金在工 　　5易于成型的工藝功能作為一個管材用高溫合金，除了很好的力學功能和優 　　異的化學功能外，工藝功能有必要杰出，否則將無法制成零件，進行實踐運 　　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 　　優異.由900一1300℃的高溫沖擊、高溫拉伸、高溫墩粗、 　　高溫扭轉及晶粒長大傾向性的體系試驗標明，GH2984合金高溫塑性杰出，變形抗力 　　低，熱加工溫度規模寬，晶粒長大傾向性小國，熱穿管坯料的加熱溫度為1100℃，穿 　　管時溫度升高達1160-1180℃.穿出的荒管質量較好，成品率較高.各種參數操控得 　　當，穿管成品率可達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合工藝，進行冷變形，均可取得外表質量和尺 　　度公差符合要求(YB804―20)的規范鋼管.GH2984合金管擴口功能杰出，在不同熱處理 　　準則下均能很好擴口，擴口率達38%.一同，管子壓扁功能也很好，管壁間距達壁厚的3一4倍，也無任何問題.彎管試驗在彎管機上進行，彎管半徑為65mm，彎管視點為 　　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.脹管試驗成果見表81.脹管后經 　　40，60，100，120kg/cm水壓打壓后，滴水不漏，標明脹管功能優異.在艦船上實 　　踐安裝工藝功能試驗證明，GH 2984管與15CrMo管脹接，脹管率在1.4%-4.4%之 　　間，GH2984合金管沒有發生起皮和裂紋等任何問題，滿意冷態下的脹接與超壓試壓 　　需求，徹底符合鍋爐冷態安裝技能要求，也能滿意超級超臨界電站鍋爐過熱器制造需 　　求. 　　6 結語 　　GH2984合金力學功能和化學功能優異，工藝功能杰出，長時刻安排和力學功能安 　　穩，是一種本錢低價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 　　可制造超級超臨界電站鍋爐用過熱器和再熱器.