9Cr-3Co-3W 鑄件材料應用性能評價

張波，龍老虎，李清松

（1.長壽命高溫材料國家重點實驗室，四川 德陽，618000；2.東方電氣集團東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000）

0 引言

隨著電力設計技術、材料技術和制造技術的發展，火力發電機組沿著亞臨界—超臨界—超超臨界—先進超超臨界機組的方向推進，使得火力發電機組參數（溫度、壓力）不斷提高，對部件及對應的選材要求也越來越高，以保障機組的安全運行。國內外對超臨界、超超臨界用9%－12%Cr材料進行深入研究，其中9%～12%CrMoWVNbN、9Cr1MoVNbN、9Cr2WMoVNbNB 廣泛應用于600～620 ℃的超超臨界機組。美國Vison21、歐洲AD700 和日本A－USC 等計劃項目對700 ℃及以上等級先進超超臨界機組用高溫合金進行了試驗研究工作，而中國也成立了“國家700 ℃超超臨界燃煤發電技術創新聯盟”，主要解決700 ℃等級超超臨界燃煤發電技術的關鍵問題，這些項目的研究成果表明CCA617、IN625、IN740 等高溫合金具備用于700 ℃等級以上超超臨界機組的技術條件，但由于高溫合金的制造成本高、技術難度大等問題，700 ℃及以上等級機組的示范應用還處于停滯狀態。為滿足“碳達峰”和“碳中和”要求，綜合經濟性、國內外對耐熱鋼的研究成果的可行性以滿足電力市場的需求，燃煤發電機組將重心轉移到630～650 ℃等級超超臨界技術的應用；對于630～650 ℃溫度范圍內超超臨界機組用材主要基于620 ℃等級機組用材的成功應用、日本提出的MARBN 合金和歐洲COST536 對MARBN 合金的優化[1－5]。

本文通過對9Cr－3Co－3W 鑄造階梯試塊的解剖檢查，全面測試了該鑄件材料的主要應用性能，充分評價9Cr－3Co－3W 鑄件材料應用于630～650℃超超臨界機組汽缸、閥門等大型鑄件的可行性；評價內容包括高溫瞬時拉伸性能、斷裂韌性、裂紋擴展速率、低周疲勞性能和高溫持久性能等。

1 試料

本研究用的試料采用感應電爐熔煉，砂型鑄造的階梯試塊，試料的主要合金含量（wt%）為0.1C－8.9Cr－2.7W－3Co－0.2V－0.06Nb－0.01N－0.01B，并對As、Sn、Sb、Al 等元素進行嚴格控制。階梯試塊包括了100 mm、200 mm 和300 mm 等3 種厚度，階梯試塊圖樣如圖1 所示。試塊的超聲波探傷要求：（1）無面積缺陷的最大單個缺陷當量FBH不超過φ2 mm，每100 cm2面積缺陷數量不超過2個；（2）面積缺陷的缺陷評定FBH 當量φ1.6 mm，非形狀及耦合引起的底波損失50%以下。對于試塊存在的超標缺陷在解剖時應充分去除，防止缺陷引起的數據偏差。試塊重700 kg，經過性能熱處理后的室溫力學性能見表1。

圖1 評估用階梯試塊尺寸/mm

表1 9Cr-3Co-3W 鑄件材料的室溫力學性能

2 試驗及結果

2.1 試驗方法

為確保評估數據的有效性，本研究涉及的試驗及其試樣均按照相應的國家標準執行，包括室溫拉伸試驗方法GB/T 228.1，高溫拉伸試驗方法GB/T 228.2，沖擊試驗方法GB/T 229，布氏硬度試驗方法GB/T 231.1，高溫持久試驗方法GB/T 2039，低周疲勞試驗方法GB/T 15248，斷裂韌度試驗方法GB/T 21143 和裂紋擴展速率方法GB/T 6398 等；相關試驗測試的機構具有CANS 資質。

2.2 試驗結果

2.2.1 高溫拉伸性能

分別在100 mm、200 mm、300 mm 厚度截面取高溫拉伸試樣，分別測試室溫、100 ℃、200℃、300 ℃、400 ℃、500 ℃、600 ℃、700 ℃的強度和塑性指標。測試結果如圖2 所示，圖2（a）為不同截面的拉伸強度隨溫度變化的分布，3 個截面的拉伸強度指標差值在30 MPa 左右，最大差值為61 MPa；圖2（b）為不同截面的斷后伸長率A 隨溫度的分布，在相同溫度點的A 值一般差值為2%，最大差值為7%。說明該試塊的拉伸強度和塑性指標比較均勻，為此，后續評價用的低周疲勞性能、斷裂韌度、裂紋擴展速率、持久性能等僅在其中一個厚度截面進行取樣測試和評價。

圖2 9Cr－3Co－3W 鑄件材料的高溫拉伸性能

2.2.2 低周疲勞性能

在200 mm 厚度截面取樣進行9Cr－3Co－3W 鑄件材料的低周性能評價，測試溫度分別為室溫和650 ℃，應變比為－1，總應變幅0.4%～1.6%。在0.4%應變幅條件下室溫的低周疲勞壽命高于650℃；但在1.6%應變幅時，650 ℃對應的低周疲勞壽命高于室溫，對應的壽命均超過200 個循環周次。室溫和650 ℃條件下應變幅Δεt與壽命Nf對應的擬合曲線如圖3 所示，滿足關系，擬合相關系數達到0.98 以上。

圖3 9Cr－3Co－3W 鑄件材料的Δεt－Nf 曲線

2.2.3 斷裂韌度

在階梯試塊200 mm 厚度截面取試樣進行斷裂韌度測試，評價9Cr－3Co－3W 鑄件材料在630 ℃和650 ℃的斷裂力學性能。630 ℃和650 ℃溫度下9Cr－3Co－3W 鑄件材料的J0.2BL均達到了100 kJ/m2以上，圖4 為630 ℃和650 ℃溫度下9Cr－3Co－3W鑄件材料的J－R 曲線，相應的J－Δa 關系符合J=α+β×（Δa）γ方程，擬合相關系數超過0.98。

圖4 9Cr－3Co－3W 鑄件材料的斷裂韌度

2.2.4 裂紋擴展速率及門檻值

在階梯試塊100 mm 截面取樣進行了室溫和650 ℃條件下的裂紋擴展速率評價。室溫和650 ℃下9Cr－3Co－3W 鑄件材料門檻值ΔKth均達到6.0 MPa·m0.5以上，圖5 為根據測試數據擬合da/dNΔK 曲線，滿足冪指數關系，雙對數滿足線性回歸方程，擬合相關系數均達到0.98 以上。

圖5 9Cr－3Co－3W 鑄件材料的裂紋擴展速率

2.2.5 高溫持久性能

在階梯試塊的100 mm、200 mm、300 mm 分別取樣進行高溫持久性能試驗。試驗溫度600～675 ℃，試驗應力80～187 MPa，測試時間涵蓋了幾百小時到4 萬小時，累計測試時間達到22 萬小時，最長測試時間超過3 萬小時。利用測試的數據得到的持久L－M 曲線如圖6 所示，其中C 取值為20，圖中標記×表示試驗結束的參數點，而標記為的點表示試驗還在進行中，藍色豎線是650℃條件下10 萬小時對應的LMP 值，紅色豎線為630 ℃下10 萬小時對應的LMP 值，2 條豎線與9Cr－3Co－3W 鑄件材料擬合的L－M 曲線的交點分別對應相應溫度條件下的外推持久強度。9Cr－3Co－3W 鑄件材料在630 ℃和650 ℃下10 萬小時的外推持久強度分別為90 MPa 和60 MPa。

圖6 9Cr－3Co－3W 鑄件材料的持久L－M 曲線

2.2.6 高溫長時時效性能

在階梯試塊的100 mm、200 mm、300 mm 截面取試樣進行9Cr－3Co－3W 鑄件材料的長時時效處理，時效處理溫度分別為630 ℃、650 ℃，時效時間5 000 h、10 000 h。時效處理后進行常規性能檢查、FATT50 試驗和硬度試驗。圖7（a）是時效對強度的影響，相對于未經時效處理的強度：630℃下5 000 h、10 000 h 的抗拉強度幾乎無變化，Rp0.2下降了約30 MPa；650 ℃的抗拉強度下降了約40 MPa，Rp0.2下降了約50 MPa。圖7（b）是時效對斷后伸長率的影響，在15%～16%波動，影響不大。圖7（c）是時效對沖擊的影響，經時效后沖擊功減少了10 J 以上，但均在14 J 以上。圖7（d）是時效對韌脆轉變溫度的影響，由于時效后沖擊性能下降，導致韌脆轉變溫度有所上升，而650℃下時效后的韌脆轉變溫度比630 ℃低。

圖7 9Cr－3Co－3W 鑄件材料經長時時效后的性能變化

3 應用性能分析

9Cr－3Co－3W 鑄件材料將主要應用于超超臨界機組高中壓內缸、閥殼、彎管的大型鑄件，這些部件在運行過程中主要承受高溫高壓、因為溫度引起和機組啟停的蒸汽應力、熱應力和機械應力等。因此，作為高溫高壓用的靜子部件，其主要應用性能評價的指標包括靜強度、低周疲勞性能、高溫持久性能和長時運行后穩定性。

3.1 靜強度的應用評估

靜強度是指在不同的溫度條件下的高溫拉伸強度，主要是屈服強度或規定延性強度Rp0.2，用靜強度評價材料的應用性能時其安全系數取值較高，一般均在3.0 及以上。9Cr－3Co－3W 鑄件材料在600 ℃和700 ℃時的Rp0.2 分別為363 MPa 和209 MPa；為準確評價9Cr－3Co－3W 鑄件材料在630～650 ℃的靜強度，補充測試了630 ℃和650 ℃下材料的Rp0.2，分別達到了300 MPa 和270 MPa以上。因此，取3 倍安全系數下9Cr－3Co－3W 鑄件材料在630 ℃下的靜強度許用應力達到100 MPa 以上，650 ℃下其靜強度許用應力達到90 MPa 以上。

同時，對9Cr－3Co－3W 鑄件材料高溫拉伸強度測試結果進行多項式擬合，擬合相關系數達到了0.998，為此建立了9Cr－3Co－3W 鑄件材料的靜強度與溫度的3 次關系表達式，便于根據零部件的實際工況評價室溫到700 ℃范圍內任一溫度點的靜強度。

3.2 低周疲勞性能評價

低周疲勞性能主要用于評價在機組啟停等特殊情況下對高溫高壓部件壽命的損傷，這些損傷是由塑性應變引起的，為此其壽命評價主要以低周疲勞性能為主。根據圖3 的結果可知，總應變幅為0.4%時室溫和650 ℃條件下9Cr－3Co－3W 鑄件材料的壽命均超過了1 萬次，分別達到8 萬次和1.5 萬次以上；總應變幅為1.6%時，其壽命均超過200 次；9Cr－3Co－3W 鑄件材料的應變－壽命曲線滿足Coffin－Manson 方程，機組在安全壽命評價時可按照對應的曲線表達式進行評價。通過對比9Cr－3Co－3W 鑄件材料的應變－壽命滿足機組壽命的基本要求。

3.3 持久性能評價

高溫持久性能是部件安全性能評價的關鍵技術指標，是材料在高溫長時運行條件下組織穩定性和材料失效的綜合性能表征。根據9Cr－3Co－3W鑄件材料的高溫持久性能測試結果，最長試驗時間達到4 萬小時以上，溫度范圍涵蓋了600～650℃，試驗應力范圍寬，試驗斷裂試驗范圍廣，該材料的持久強度外推滿足ASME 等標準的要求，試驗參數點與持久強度L－M 曲線吻合度高，擬合相關系數達到0.90 以上，因此630 ℃和650 ℃下10 萬小時的外推持久強度的可信度高。

根據圖6 可知，還有一半以上的試驗仍在進行中，這些數據可使得9Cr－3Co－3W 鑄件材料的持久強度L－M 向右移動，說明其隨著試驗的持續推進實際的持久強度將進一步提高。在620 ℃條件下ZG12Cr9Mo1Co1NiVbNB 鑄件材料10 萬小時的持久強度為80 MPa 左右，利用其外推公式得到630 ℃下10 萬小時的持久強度大約為60 MPa[2]，由此可以看出9Cr－3Co－3W 鑄件材料對應的持久強度比ZG12Cr9Mo1Co1NiVbNB 高出20%以上。

3.4 長時時效穩定性評價

高溫長時持久性能是材料組織穩定性和持久強度的綜合表征；而長時時效處理后的常規力學性能是溫度對材料力學性能影響的方法之一。根據630 ℃和650 ℃條件下5 000 h 和10 000 h 的長時時效處理后的力學性能與原始狀態相比：630 ℃下10 000 h 內的強度、斷后伸長率和硬度變化不大；沖擊性能下降較明顯，相應的韌脆轉變溫度有所提高，這些變化主要集中在時效的前5 000 h，5 000 h 與10 000 h 力學性能相當。650 ℃下10 000 h 內的斷后伸長率和硬度變化不大，強度（尤其是屈服強度）和沖擊下降較明顯，FATT50 有所上升；同樣，這些變化主要集中在時效處理的前5 000 h，因為其5 000 h 和10 000 h 的力學性能相當。隨著后續更長時間的時效處理性能數據將進一步評價其長時時效的溫度性。

4 結論

通過解剖階梯試塊對9Cr－3Co－3W 鑄件材料進行全面力學性能評價，該材料在630～650 ℃具有良好的綜合力學性能，可用于該溫度條件下運行部件的設計評估。

（1）經性能熱處理后，階梯試塊3 個截面常規和高溫拉伸性能均勻；

（2）9Cr－3Co－3W 鑄件材料的高溫Rp0.2 與溫度之間滿足三次多項表達式關系，試驗結果和擬合計算的結果可用于產品靜強度評估。

（3）9Cr－3Co－3W 鑄件材料在室溫和650 ℃的低周疲勞性能滿足Coffin－Manson 方程，可用于產品的低周疲勞壽命評估。

（4）9Cr－3Co－3W 鑄件材料的630 ℃/10 萬小時和650 ℃/萬小時持久強度分別達到90 MPa 和60 MPa，隨著后續試驗的進行其持久強度將進一步提高，比620 ℃用ZG12Cr9Mo1Co1NiVbNB 鑄件材料持久強度高出20%以上。

（5）9Cr－3Co－3W 鑄件材料經5 000 h 時效后性能有一定變化，但變化較小，具有一定的性能穩定性。