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超超临界汽轮机高中压转子用钢的蠕变性能与组织研究及新钢种的设计

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本文以超超临界汽轮机高中压转子用钢X12CrMoWVNbN10-1-1(X12)以及在X12钢基础上新设计的含Co铁素体耐热钢为研究对象，首先对X12钢的短期蠕变和长期持久性能及组织进行了分析；然后在X12钢的基础上设计了9种新型含Co铁素体耐热钢，提出并采用了一种通过慢速率高温拉伸试验手段来筛选9-12％ Cr铁素体耐热钢的方法，得到了Co和W的最佳调配比例，筛选出了性能较优的新型含Co铁素体耐热钢；并对筛选出的合金进行蠕变性能评估和组织演变研究。由X12钢的短期蠕变数据分析结果表明，X12钢的蠕变曲线具有典型的三段特征，其应力指数n值在6和9之间，对应的蠕变变形机制是位错攀移控制。其在较高应力（180MPa、230MPa和280MPa）下，激活能数值在316.6kJ/mol和571.7k J/mol之间，均高于Fe在a-Fe中自扩散的激活能(239 kJ/mol)。
　　 采用场发射扫描电镜(FESEM)及透射电子显微镜(TEM)分析研究了X12钢蠕变试验前后的组织演变，发现了X12钢中的Laves相在较短时间(200h)内就有析出。主要分布在晶界和板条界（或亚晶界）上的Laves相为含有高密度层错的hcp C14结构，其SAED花样有典型的条纹特征。X12钢中Laves相的早期析出受控于合金成分设计，是合金的本性，与热处理制度的选择关系不大。Laves相的形核和长大动力学方程符合Johnson-Mehl-Avrami关系式，其时间常数n为1.31。在X12钢中观察到了Laves相的两种形核和长大机制：一种是单独分布在晶界上，其与一晶界或板条界共格，然后向相邻的与其没有特殊位向关系的晶粒内生长；另一种是Laves相在毗邻M23C6碳化物处形核，之后Laves相逐渐长大，而其临近的M23C6则保持稳定或者逐渐减小。
　　 对X12钢中Laves相的定量分析表明，温度和时间是影响Laves相平均晶粒尺寸的主要因素，应力和应变对其影响较小。Laves相的平均晶粒尺寸随温度升高和蠕变时间的延长而增大，随应力或应变的增加而略有减小。
　　 X12钢中的Laves相在持久时间10000h内的粗化速率较慢；至约10000 h时其平均晶粒尺寸为207.1nm，因此，可认为此时Laves相对持久强度的综合作用仍是强化作用。
　　 M23C6型碳化物在600℃下长期持久试验(t≤10000 h)后有明显的聚集粗化，且蠕变应变对其有加速作用。MX碳氮化合物则保持稳定。
　　 通过慢速率高温拉伸方法筛选出了两种新型含Co铁素体耐热钢：(1)575℃和600℃下，0.85Mo-1.5W-3.1Co合金；(2)625℃下：0.85Mo-1.5W-3.8Co合金。
　　 蠕变性能评估试验结果表明，600℃和625℃下，0.85Mo-l.5W-3.8Co合金优于0.85Mo-l.5W-3.1Co合金，两者均优于X12钢，而在650℃下则是0.85Mo-1.5W-3.8Co合金蠕变性能最优，其次为X12钢，0.85Mo-1.5W-3.1Co合金则最差。此试验结果与筛选结果基本一致。0.85Mo-1.5W-3.8Co合金的应力指数n为2.54，对应位错粘滞滑移变形机制。0.85Mo-1.5W-3.1Co和0.85Mo-1.5W-3.SCo合金在180MPa作用下的蠕变激活能分别为481.8±108.4kJ/mol和312.1±32.8 kJ/mol，均高于Fe在a-Fe中自扩散的激活能(239 kJ/mol)。
　　 两种新型含Co钢在600℃及650℃下的短期蠕变(≤400h)也观察到了Laves相。其形貌特征及形核和长大机制同X12钢。

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