超超临界高氮耐热铸钢的制备、组织演化及腐蚀评价

Aimed at the limitation of the ultra-super critical heat resistant steels, such as CB2, not suitable to be used over 620℃ to satisfy the high efficient power technology due to the shortcoming of creep strength, this project proposes a high nitrogen martensitic heat resistant steel to enhance the heat strength and corrosion resistance. In this project, 9-12% Cr martensitic steel was selected to prepare a higher nitrogen steel with electroslag remelting and nitrogen alloying alloy. The kinetic analyst method would be used to investigate phase transition physical mechanism of the solidification and heat treatment and the process of (C,N)precipitation and to set up a kinetic model. By EELS analysis , the trace of N would be analyzed to make sure the distribution and reaction with other elements, such as Cr, V and Nb. The corrosion resistant behavior of the steel would be investigated under high temper environment. Based on systematical understanding the microstructure evolution and high temperature mechanical properties, alloy design principle would be proposed. a new developed alloy with a strength 160Mpa,> 100h at 650℃ would be obtained. This project will provide a innovation idea and promoting solution to develop key materials for higher efficient power plant.

针对超超临界马氏体耐热铸钢CB2等在620℃以上无法满足更高发电技术参数的服役要求和其高温持久蠕变的局限性，本研究在数值模拟的基础上，设计制备高氮耐热合金，旨在进一步提高耐热马氏体铸钢的热强性，并改善其高温湿热耐蚀性能。本项目以9-12%C体系为主要研究对象，采用加压电渣重熔和真空感应加入氮化合金工艺，制备高氮耐热马氏体铸钢，利用相变动力学分析方法，深入揭示凝固-热处理过程的固态相变和沉淀相析出过程的物理机制，建立相应的动力学模型；采用TEM能量损失谱微区分析技术进行氮元素的定量分析；解析氮的行为、氮与其他合金元素（Cr、V、Nb等）的交互作用；在系统研究耐热钢的组织演化、高温性能，评价其高温湿热腐蚀行为的基础上，建立合金成分优化设计准则；开发具有实用价值(650℃ 170Mpa高温持久不低于100h的马氏体钢样品。本项目的实施将为研发更高等级的超超临界关键耐热材料提供创新思路和方法。

开发600℃以上温度等级的超超临界发电技术对实现我国“节能减排”和“双碳”目标具有重要战略意义。为此需要研制高温力学性能更为优良的耐热材料作为关键结构保障。. 本项目在9Cr马氏体耐热钢的基础上，设计制备了一种新型的高N（0.3 wt.%）马氏体耐热铸钢，优化制定了全流程热处理工艺，解析相变过程和强化机理，探究其在持久应力下的组织演化行为，并进行电化学测试、浸泡失重测试、氧化增重测试等方式，评定了新型高氮马氏体耐热钢的耐腐蚀和抗氧化性能。. 本项目在成分设计基础上，采用加压真空熔炼制备了9炉（50Kg/炉）合金铸锭，制定了全流程热处理工艺，获得了理想的全回火马氏体组织，并借助TEM和XRD解明了所有析出相。. 650℃、140-170MPa持久试验表明持久过程动态再结晶程度增大，当应力超过155 MPa时，高角晶界的比例明显增加。在低应力条件下，大量的马氏体板条被保留，延缓持久损伤；在高应力条件下，作为不规则位错网结构的马氏体板条发生回复，形成高角的马氏体块和马氏体束，造成位错密度的降低，从而导致强度退化。氮元素分析及TEM解析表明MN型析出相表现出强热稳定性，细小的MN相一方面对边界和位错具有强烈的钉扎效应；另一方面成为部分Laves（Fe2W）相形核的核心，限制了Laves相的生长。新型高氮马氏体耐热铸钢表现出了比T/P91、T/P92以及CB2耐热钢更为良好的高温力学性能。本项目成功开发出650℃-170Mpa高温持久远超100h的马氏体钢样品（600h）。. 常温腐蚀测试结果表明不同δ铁素体含量对高氮马氏体耐热钢的耐蚀性没有显著影响。不同δ铁素体含量的高氮马氏体耐热钢650℃与750℃下的抗氧化性能没有明显区别，较高δ铁素体含量对850℃下抗氧化性能有微弱的不利影响。随N含量增加（0.15 wt.%至0.27 wt.%），高氮马氏体耐热钢的耐蚀性逐渐提高；而氮含量超出0.27 wt.%后（0.30 wt.% N），其耐蚀性略有降低的趋势。整体而言，新型高氮钢耐热钢比600℃等级的CB2铸件具有显著的耐蚀性。. 所有取得的成果为开发新型马氏体耐热钢以及高氮马氏体耐热铸钢的后续工业化试制提供了坚实的理论和实验支持。