650℃铁素体锅炉用钢材料及其焊接性能研究

耐热钢的发展与能源、动力机械工业的进步紧密相关。近年来，为解决日益突出的能源短缺及环境污染问题，世界各国火力发电机组为提高热效率而逐步提高蒸汽工作温度，因此，采用先进技术和工艺提高耐热钢的蒸汽使用温度，以期提高锅炉管热交换效率的研究具有相当重要的意义。本项目将以综合性能优异的T91钢为研究基准，从成分设计、相变机理、形变热处理和焊接性能等方面来进一步提高其细晶强化、固溶强化和第二相强化效果，从而满足650℃铁素体锅炉用钢的要求。其中成分设计将重点关注具有高热稳定性的碳氮化物形成过程；通过形变热处理来获得细小弥散的MX型碳氮化物强化的马氏体板条组织，结合合金元素的应变诱导析出来抑制控轧过程奥氏体的再结晶和晶粒长大、以及在控冷过程中获得良好的沉淀强化效果；结合奥氏体稳定化研究来发展微小变形马氏体板条细化新方法；此外，结合合金成分设计和合理焊接工艺选择来避免其冷裂纹敏感性较强和热裂纹倾向等问题。

耐热钢的发展与能源、动力机械工业的进步紧密相关。近年来，为解决日益突出的能源短缺及环境污染问题，世界各国火力发电机组为提高热效率而逐步提高蒸汽工作温度，因此，采用先进技术和工艺提高耐热钢的蒸汽使用温度，以期提高锅炉管热交换效率的研究具有相当重要的意义。本项目对以T91为代表的高Cr铁素体耐热钢固态相变行为进行了深化研究，指出奥氏体化过程中，加热速率的提高导致沉淀相溶解不充分和扩散速率的增加，从而提高了相变速率；M3C相的析出发生于马氏体相变之前的奥氏体区，并造成了马氏体相变的分裂；预应力加载使得晶内缺陷增加和母相得以强化，从而提高了马氏体相变开始温度。在此基础上，确定了使用温度达650℃的新型（改进）高Cr铁素体耐热钢的成分，与传统的T91钢和T122钢相比，新开发钢种具备更高的室温和高温强度，650℃、190Mpa下蠕变断裂时间，比当前世界已报导的最长时间高4倍以上。围绕新型（改进）高Cr铁素体耐热钢固态相变行为展开研究，分别建立了临界区奥氏体化、马氏体相变、等温贝氏体相变、块状相变解析模型并成功应用于相变动力学分析，指出了铁素体形成时新相与母相界面结构将会发生变化，冷却速度主要是通过改变晶界之间的位相角来影响动力学参数；马氏体相变速率由形核数和界面移动速度共同控制，马氏体长大是热激活控制反应过程；冷却过程的等温停留将导致贝氏体的生成，等温温度降低促进了贝氏体相变的进行。对新型（改进）高Cr铁素体耐热钢焊接热循环过程中的相变行为及组织性能进行了研究，确认了焊接热循环峰值温度时组织中只存在δ-铁素体相。由于多种合金元素的相互作用和焊接热模拟的特殊热循环过程，在δ-铁素体内将会发生富硼M23C6相的析出，指出了氮的扩散是控制高温相变的主要因素。焊缝和基体650℃等温时效过程分析表明，焊缝组织中的回复再结晶程度受M23C6相析出位置和颗粒尺寸的影响；马氏体板条特征随时效时间的延长而逐渐消失并形成等轴晶粒；焊缝组织发生回复并析出富Mo的Laves相；母材组织中的Laves相优先在M23C6相周围形核并迅速长大。出版学术专著2部（科学出版社）；发表标注高水平论文55篇，其中SCI收录42篇、ISTP收录6篇；EI收录50篇；已授权中国科学技术发明专利3项；已培养博士后2名、博士研究生8名，硕士研究生14名。出席国内外学术会议8次，其中国际学术会议特邀报告3次。