GH2984高溫合金一種性能優異的過熱器管材用
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.
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