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1、超超臨界汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子是百萬(wàn)千瓦超超臨界汽輪機(jī)組的關(guān)鍵部件,其服役蒸汽溫度達(dá)到600℃、蒸汽壓力達(dá)到30MPa。惡劣的工作環(huán)境要求轉(zhuǎn)子擁有良好的材料綜合性能,而材料的性能與微觀組織有著直接的聯(lián)系。因此研究轉(zhuǎn)子材料在熱處理過(guò)程中的微觀組織演變規(guī)律及其與力學(xué)性能的關(guān)系,對(duì)于制定合理的熱處理工藝以獲得所要求的性能具有極其重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和工程意義。本文采用多種材料表征手段,如物理化學(xué)相分析、X射線衍射、背散射電子衍射、掃描電鏡、透射電鏡和力學(xué)
2、性能測(cè)試等,以 X12CrMoWVNbN10-1-1鋼為主要研究對(duì)象,探索其微觀組織演變規(guī)律及其對(duì)力學(xué)性能的影響,從而為制定合理的熱處理工藝,實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)中組織穩(wěn)定性和均勻性的控制提供技術(shù)支撐。
首先,研究了 X12CrMoWVNbN10-1-1鋼過(guò)冷奧氏體700℃(TTT圖鼻尖溫度)等溫分解的相變機(jī)制、特征和動(dòng)力學(xué)等問(wèn)題。研究發(fā)現(xiàn)等溫過(guò)程中所發(fā)生的擴(kuò)散型相變產(chǎn)物主要為鐵素體基體、Cr-rich M23C6、少量Cr-ric
3、h M2N和Nb-rich MN。析出相首先在原奧氏體晶界處形核長(zhǎng)大,隨著等溫時(shí)間的延長(zhǎng),以胞狀物的形式向奧氏體晶粒內(nèi)部析出,并伴有γ→α的轉(zhuǎn)變。以不同等溫時(shí)間轉(zhuǎn)變后所得到的微觀組織作為初始組織,對(duì)其再次進(jìn)行奧氏體化加熱和晶粒尺寸的測(cè)定,結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著等溫時(shí)間的延長(zhǎng),奧氏體晶粒的細(xì)化效果越明顯,當(dāng)?shù)葴貢r(shí)間長(zhǎng)達(dá)120h后,其細(xì)化效果不再顯著增加。在此基礎(chǔ)上提出了通過(guò)等溫轉(zhuǎn)變的方法實(shí)現(xiàn)奧氏體晶粒細(xì)化的機(jī)制,認(rèn)為殘余奧氏體含量是細(xì)化奧氏體晶粒的
4、關(guān)鍵,并確定了該鋼有效細(xì)化奧氏體晶粒的殘余奧氏體臨界體積分?jǐn)?shù)約為3.2%。
其次,研究了不同奧氏體化條件下,碳氮化物的溶解規(guī)律與奧氏體晶粒長(zhǎng)大的關(guān)系。結(jié)果表明,1070℃保溫60min后富Cr相全部溶解于基體中。Nb-rich MN相在1070℃奧氏體化過(guò)程中起初逐漸溶解,當(dāng)保溫時(shí)間達(dá)到180min后不再繼續(xù)溶解。而在1010℃條件下,Nb-rich MN相沒(méi)有發(fā)生溶解。1200℃保溫90min之后,僅有少量的Nb-rich
5、MN相存在。結(jié)合奧氏體晶粒長(zhǎng)大規(guī)律,可發(fā)現(xiàn)Nb-rich MN相對(duì)奧氏體晶界有顯著的釘扎作用,起有效釘扎作用的Nb-rich MN顆粒的臨界直徑和體積分?jǐn)?shù)分別約為117nm和3.1×10-4。同時(shí)還發(fā)現(xiàn),奧氏體晶粒的長(zhǎng)大行為對(duì)后續(xù)冷卻過(guò)程中的馬氏體相變行為有顯著影響,即奧氏體晶粒異常長(zhǎng)大現(xiàn)象的存在可能是引起馬氏體相變開始點(diǎn)分離的主要原因。
再次,研究了不同淬火冷卻條件對(duì) X12CrMoWVNbN10-1-1鋼微觀組織與沖擊性能
6、的影響。通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察確定了鐵素體形成的臨界冷速在1~1.5℃/min之間,而抑制Cr-rich M2N和Fe-rich M3C析出的臨界冷速分別大于1.5℃/min和600℃/min。將不同冷速冷卻后的試樣進(jìn)行700℃/24h回火并測(cè)試其沖擊性能。結(jié)果表明,水冷、空冷和爐冷后回火試樣的沖擊性能幾乎相同,約為33J;冷速降為1.5℃/min時(shí),其回火試樣的沖擊性能下降至23.3J左右。隨著淬火冷速進(jìn)一步下降,對(duì)應(yīng)的回火沖擊性能也隨之降低。
7、結(jié)合不同條件下的微觀組織與沖擊性能的分析,認(rèn)為冷速過(guò)低造成硬化相Cr-rich M2N的析出是沖擊性能降低的主要原因。
最后,以1080℃/16h奧氏體化后爐冷得到的產(chǎn)物作為初始狀態(tài),系統(tǒng)地研究了回火溫度與時(shí)間對(duì)微觀組織演變規(guī)律和力學(xué)性能的影響。組織觀察表明,550℃以下回火18h,有Cr-rich M2N、Cr-rich M7C3和Nb-richMN的析出。570℃回火10h后有Cr-rich M23C6的析出。隨著回火溫度
8、的升高,Cr-rich M7C3逐漸減少,Cr-rich M23C6逐漸增多。此外,基于物理化學(xué)相分析方法測(cè)定了提取的析出相中所含元素含量,著重分析了不同回火條件下析出相的析出行為。在此基礎(chǔ)上確定了在回火過(guò)程中碳化物的析出序列為Fe-rich M3C→Cr-rich M7C3→Cr-rich M23C6。硬度測(cè)試顯示,550℃以下回火時(shí)析出相較少,大量合金元素在基體中仍起著固溶強(qiáng)化作用,其硬度值基本穩(wěn)定在430 HV10左右;550℃以
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