超声波清洗对耐热钢铸件微观结构观察及性能评

随着国民经济的快速增长，对电力的需求量 也越来越大，燃煤火力发电由于其煤炭资源丰富、 成本低、供电稳定等优点一直是我国电力供给的 主要方式，而大力发展清洁高效的超超临界火电 机组技术是实现节能减排战略目标和保障国家能 源安全的重要措施之一。目前，已经投入商业运 行的机组的最高进汽温度已经达到 620℃，未来 发展方向将是 630℃以上火电机组项目。现已 有两台 630℃超超临界汽轮机组( 大唐郓城、神华 清远) 在建，而高蒸汽参数火电机组汽轮机的缸 体、转子等高温关键部件是制约整个火电机组应 用的重要因素。

高效率的超超临界火力发电技术已经成为国 内外的研发热门。日本、欧洲等已开始研发应用 于更 高 温 度 的 耐 热 钢，典 型 代 表 为 日 本 的 MAＲBN 钢、欧洲的 Z 相增强钢以及钢铁 研究总院的 G115 钢。本文针对 9Cr-3W-3Co 钢在热处理过程中的组织演变进行系统分析，测试了铸件的常温和高温力学性能，为 9Cr-3W-3Co 耐热铸钢在 630 ～ 650℃ 超超临界火力发电机组 高温关键部件的应用可行性提供参考。

采用真空感应炉冶炼铸造 40 kg 钢锭试验 件，化学成分见表 1。铸态试样在均质化处理后， 采用 1180℃保温 2 h 后空冷，并在 740℃ 保温 6 h 后回火。试验中采用金相( Axiovert200MAT) 及扫 描( QUANTA400) 观察铸态、均质化、正火、回火不 同热处理过程中的微观组织，同时采用 EDS 对基 体及析出物进行微区成分分析。 铸件分别进行硬度、冲击、室温及高温拉伸、 持久等性能测试。硬度试验采用维氏硬度测量， 载荷为 10 kg; 冲击试验采用夏比 V 型缺口试样; 拉伸试验分别在室温及 650℃ 下进行，试样为5 mm 的标准拉伸试样; 持久拉伸试验测试温度 650℃，所用应力分别为 100 MPa 及 170 MPa。根 据 GBT 2039—2012《金属材料 单轴拉伸蠕变 试验方法》，持久试验采用5 mm 的圆形横截面 标准持久试样，对不同应力下的断裂时间进行记 录。持久试样断裂后，使用丙酮对断口进行超声 波清洗（使用仪器厂家为昆山超声波KQ-300DE），利用扫描电镜观察断口表面。

由于大型铸件无法利用锻压、轧制等热变形 方法来调整产品内部组织，只能单纯依靠热处理 对产品进行最大限度的组织与性能优化，所以合理的热处理工艺对铸件产品的质量至关重要。

铸态组织以板条马氏体为主， 存在少量的 δ 铁素体，并可以看出大量 M3B2 呈 网状分布 ，这些高合金含量的 B、C 化 合物聚集了大量的合金元素和 B、C 元素，在材料 中难以起到有效的强化作用，所以必须消除这些 粗大 B、C 化合物，将其中的合金元素释放出来， 使其溶于基体进行固溶强化或是参与形成更有效 的强化相。通过均质化热处理后 δ 铁素体及网状 M3B2 基本消除，并在一定程度上消除偏析，使组 织中的元素分配更加均匀。 正火后合金元素更加均匀的固溶到基体中， 几乎未见颗粒状 M3B2 相 。合适的正 火温度和时间，也可获得合适的晶粒尺寸，为后续 的回火过程做好组织准备。回火后组织为回火马 氏体组织，正火处理后的 Cr、W、Nb、V 以及 C、B、N 等元素绝大部分都固溶在马氏体基 体内，并且在回火过程中，这些元素扩散并形成细 小弥散的析出相从基体中析出，这些弥散的第二相为材料提供优良稳定的高温性能; 另一方面，回 火处理可适当降低材料内位错密度，提高材料韧 性，降低材料加工难度。

9Cr-3W-3Co 钢铸态及不同热处理过程中的 扫描照片，铸态网状 M3B2 和 δ 铁素 体经过均质化和正火后均被有效消除，回火后析 出相以原奥氏体晶界、大角度板条界和板条束界 分布的 M23C6 及内部弥散的 MX 为主。成分分析表明 δ 铁素体中 W 和 Cr 的含量明显高于基 体，铸态中链状的析出相是 Fe、W、V、Cr 元素的硼 化物，即为 M3B2 ; 回火组织中原奥晶界处的析出 相为( Cr，Fe，W，V) 23C6。 综上，热处理后的典型组织为回火马氏体，由 马氏体板条、高密度位错和弥散分布的第二相粒 子组成。板条结构的稳定性关系着耐热钢高温力 学性能的稳定性，合适的热处理工艺是获得稳定 组织的重要因素。

铸件的常温抗拉强度和屈服强度分别为 838 MPa 和6 9 2 MPa ，延伸率和断面收缩率分别为MPa 下持久试样进行了断口 SEM 分析。可以看出，试样呈现微孔聚集型的断裂机制， 韧窝的产生是由于颗粒形成的孔洞扩展而引起， 具有显著的塑性断裂特征。持久断口韧窝的萌发 多是由于第二相与位错环之间积累的弹性应变能 高于其与基体间的结合力造成的，在韧窝的底 部常可观察到第二相粒子。

热处理过程能够较好的消除 9Cr-3W-3Co 钢铸态组织中的高温铁素体及大量的 M3B2，回火 组织主要为回火马氏体，碳化物以 M23 C6 和 MX 为主， 9Cr-3W-3Co 钢铸件的常温屈服强度为 692 MPa，高温 650℃屈服强度可达 278 MPa; 并且 具有良好的冲击韧性，常温冲击韧性高达 47 J; 在 650℃ 170 MPa 条件下，持久断裂时间大于 2000 h，应力 100 MPa 条件下已持续 5000 h， 9Cr-3W-3Co 钢铸件具有较优异的性能， 可以作为 630℃ 650℃ 超超临界火电机组高温关 键部件的备选材料之一。

经过实际生产的检验，把前期多次试验研制 的工艺和参数进一步调整，使其更适合实际工件 的生产。降低回火温度，提高了综合力学性能。 增加预冷的环节，既控制了淬火时火焰造成的隐 患，又解决了端部裂纹的问题。整个生产过程控 制安全合理，适合后期批量生产。