铝化物涂层对T92钢高温力学性能的影响.pdf
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1、第 52 卷 第 8 期 Vol.52 No.8 2023 年 8 月 THERMAL POWER GENERATION Aug.2023 修 回 日 期:2022-12-20 网络首发日期:2023-04-27 基 金 项 目:国家自然科学基金项目(52271070);中国华能集团有限公司总部科技项目(HNKJ20-H41)Supported by:National Natural Science Foundation of China(52271070);Science and Technology Project of Huaneng Group Co.,Ltd.(HNKJ20-H41)
2、第一作者简介:黄春林(1997),男,硕士研究生,主要研究方向为电站高温材料,。DOI:10.19666/j.rlfd.202212202 铝化物涂层对 T92 钢高温力学性能的影响 黄春林1,2,朱 明2,鲁金涛1,黄锦阳1,党莹樱1,袁 勇1(1.西安热工研究院有限公司清洁低碳热力发电系统集成及运维国家工程研究中心,陕西 西安 710054;2.西安科技大学材料科学与工程学院,陕西 西安 710054)摘要在高温下长时间暴露,钢材表面的铝化物涂层与母材间容易发生元素互扩散,对母材组织产生影响,进而影响母材的力学性能。为研究超超临界机组用 T92 钢表面铝化物涂层的高温强度特性,采用低温粉末
3、包埋渗铝法在 T92 钢锅炉管内壁制备铝化物涂层,并在室温至 625 环境中进行拉伸试验以及在 625 环境中进行持久试验,结合扫描电镜(SEM)、金相显微镜(OM)观察及 X 射线衍射分析,研究铝化物涂层对 T92 钢基体拉伸性能与持久寿命影响行为。研究结果表明:低温粉末包埋渗铝可在 T92 锅炉管内壁制备厚度约 30.4 m 的双层结构铝化物涂层,各层结构连续均匀且组织稳定,与母材呈冶金结合;在室温至 625 拉伸过程中,涂层为柱状晶结构且表面发生皴裂;625 长时持久蠕变过程中,Fe-Al 涂层裂纹数量分布多,但裂纹深度浅,极少数裂纹向基体扩展;高应力状态下大应变导致涂层发生局部剥落。铝
4、化物涂层经长时间蠕变形变,仍与 T92 钢基体呈良好的冶金结合。关键词铝化物涂层;T92 钢;高温拉伸;高温持久;锅炉管 引用本文格式黄春林,朱明,鲁金涛,等.铝化物涂层对 T92 钢高温力学性能的影响J.热力发电,2023,52(8):113-120.HUANG Chunlin,ZHU Ming,LU Jintao,et al.Effect of aluminide coating on the mechanical properties of T92 steelJ.Thermal Power Generation,2023,52(8):113-120.Effect of aluminide
5、 coating on the mechanical properties of T92 steel HUANG Chunlin1,2,ZHU Ming2,LU Jintao1,HUANG Jinyang1,DANG Yingying1,YUAN Yong1(1.National Engineering Research Center of Integration and Maintenance of Clean and Low-carbon Thermal Power Generation System,Xian Thermal Power Research Institute Co.,Lt
6、d.,Xian 710054,China;2.College of Material Science and Engineering,Xian University of Science and Technology,Xian 710054,China)Abstract:It is known that the interdiffusion at the aluminide coating/matrix interface during the long time exposure at high temperature would change the microstructure of t
7、he matrix and deteriorate the mechanical properties of the matrix.To analyze the high temperature strength of aluminide coating on T92 steel for ultra-supercritical unit,aluminide coating is prepared on the inner wall of T92 steel boiler tube by low temperature powder embedding method,and the tensil
8、e test was carried out at room temperature to 625 and the durability test was carried out at 625 environment.The effect of aluminide coating on the tensile properties and durability life of T92 matrix are studied by combining scanning electron microscope(SEM),optical microscope(OM)and X-ray diffract
9、ion analysis(XRD).The results show that the aluminide coating prepared on the inner wall of T92 boiler tube by low temperature powder embedding aluminizing,which is metallurgically combined with the matrix,has a double-layer structure,and each layer is continuous and uniform.The total thickness of t
10、he prepared aluminide coating is about 30.4 m.The coating has columnar crystal structure and the surface is cracked in the room temperature is increased to 625.During the creep rupture process at 625 environment,FeAl coating have many cracks,but the crack depth is shallow and very few cracks extend
11、to the matrix.The coating peels off locally large strains under the high stress state.It can be concluded that even deforms of the aluminide coating occurred during the long-time creep process,it can still has good metallurgical bonding with T92 matrix.Key words:aluminide coating;T92 steel;high temp
12、erature tensile;high temperature creep rupture;boiler tube 114 2023 年 http:/ 目前,我国燃煤发电的主要机型为超超临界机组,而 T92 马氏体耐热钢(T92 钢)是超超临界机组用关键材料1。T92 钢较 T91 钢具有良好的耐蚀性、抗氧化性,具有更高的持久-蠕变强度与许用应力以及高温稳定性,广泛应用于 600/620 等级超超临界发电机组高温过热蒸汽管道、高温再热蒸汽管道、集箱及集箱接管等主要部件1-3。这些部件在高温及应力作用下长期运行,微观组织发生明显变化4-5,且表面难以形成具有保护性的 Cr2O3氧化膜,使用寿命
13、及服役温限受其氧化性能和蠕变强度的限制6,易导致 T92 钢部件的力学性能劣化,严重危害其服役安全性。与使用高等级合金相比,对现有材料进行涂层防护处理是一种易实现且性价比较高的方法之一7-8。其中,采用低温铝化物涂层制备工艺,不仅可以在合金表面得到 FeAl、Fe3Al 涂层,还可以减少热渗工艺对基体组织和性能的影响9-10,具有广泛的应用前景。铝化物涂层在高温蒸汽氧化时可生成以Al2O3为主的氧化膜,进而大幅提高合金的抗氧化性能和耐冲刷性能8,11-12。但铝化物涂层在高温服役过程中,涂层与基体间的元素互扩散会导致涂层抗高温性能的退化13-15。目前针对高温涂层的研究多着重于涂层制备工艺及其
14、在不同工况下短时防护特性方面,并取得了阶段性成果,但高温力学性能方面研究较少。与航空工业高温短时服役需求不同,在石化、电力行业的高温长时环境下,发电设备及化工设备等高温部件的设计,一般参照 20 万 h 持久强度为基础进行研发13,在这种高温长时环境下,涂层服役退化对母材力学性能的影响尤其关键16-18。Li 等人19的研究表明,施加铝化物涂层导致基体晶界处析出碳化物相,削弱晶粒之间的黏结强度,恶化基材的拉伸强度。Bates 等人20的研究表明,涂层厚度与基材抗蠕变强度呈负相关,且发现较薄、铝含量较低的涂层有助于涂层/基体的热膨胀系数匹配,降低基体中裂纹产生速率,避免涂层过早失效。Hou等人2
15、1的研究表明,施加铝化物涂层导致基材高 温强度恶化,但裂纹扩展局限于涂层与基体界面处。铝化物涂层对基材高温力学性能的影响机制尚有争论。另外,相关学者22-24在研究时发现,虽然Fe-Al 化合物相的本征脆性易产生微裂纹,但 FeAl相(B2结构)中充足的铝含量会作用于母材与涂层间的元素互扩散。涂层中产生的微裂纹是否对基材 的高温力学性能造成一定程度的影响尚无大量报道,但在热暴露过程中,涂层内的微裂纹会因氧化效应自动愈合,裂纹内较少的 Al2O3并未加速裂纹的扩展25-26,而提高蒸汽压力则会促进涂层内裂纹的扩展27。目前,对 T92 钢基体上施加铝化物涂层的研究主要集中于涂层的性能和组织,对基
16、材影响的研究偏少。本文采用低温粉末包埋法在 T92 钢表面制备铝化物涂层,主要研究了 625 不同应力下有/无涂层试样的持久强度,分析了涂层相结构、微观形貌和持久过程中的断裂方式,讨论了铝化物涂层长时间服役特性,并深入评估其高温持久性能和影响机制。本文的研究结果可为采用铝化物涂层方法处理的T92钢在超超临界机组上的应用提供理论依据。1 试验过程 1.1 涂层制备 所用T92钢锅炉管化学成分的质量分数分别为:C 0.11%,Mn 0.45%,Si 0.37%,S 0.002%,P 0.009%,Cr 8.91%,Mo 0.38%,V 0.2%,W 1.53%,Nb 0.06%,Ni 0.22%,
17、N 0.035%,Fe 余量。T92 钢管线切割加工后,经 50、19、13、12 m 砂纸依次打磨,确保表面无明显缺陷,用丙酮清洗并干燥备用。利用粉末包埋法制备铝化物涂层,粉末是由中国医药集团有限公司生产的质量分数 2%NH4Cl+98%FeAl 粉末混合物组成,FeAl 粉粒度为 100 150 m,NH4Cl 为活化剂。按上述配方充分混合 20 min 并在 640、氩气保护下烧结 2 h,然后在640 下退火 4 h。1.2 性能测试及组织观察 拉伸和持久实验方法可以参阅课题组前期发表的论文12-13。拉伸实验测试温度为室温、100、200、300、400、500、600、625。持久
18、实验测试温度为625,外加应力参考有关 T92 钢文献资料适当选取,保证数据的均匀性。最终确定的外加应力从低到高依次为 120、130、140、160 MPa。实验均采用瓦片状试样,如图 1 所示13,距断口 3 mm 处取样。使用 D/MAX-RA 型 X 射线衍射仪对涂层物相进行表征,通过金相显微镜对 T92 钢基体组织进行观察。采用 ZEISSigma 扫描电子显微镜(SEM)观察有/无涂层试样断口及表面形貌,观察前需用丙酮进行超声波清洗,结束后,沿断口边缘轴向进行线切割,观察有/无涂层试样的截面形貌。第 8 期 黄春林 等 铝化物涂层对 T92 钢高温力学性能的影响 115 http:
19、/ 图 1 瓦片状拉伸/持久试样(mm)Fig.1 Tensile/stress rupture of tiles(mm)2 试验结果 2.1 涂层结构 图 2 为 T92钢铝化物涂层的微观组织形貌及相应的 XRD 图谱。由图 2 可见:图 2b)所示的 T92 钢金相组织均匀,由马氏体组成;通过粉末包埋工艺在管内壁制备的涂层分布均匀、连续,与基体间呈冶金结合,且不影响基体组织。根据衬度不同,铝化物涂层分为外层和内层,涂层层次感分明,厚度均匀且无裂纹,外层主要为 FeAl 相,厚度约 11.25 m,平均 Al 质量分数为 26%。结合 EDS、FeAl 相图及元素分布特征,表明内层主要为 F
20、e3Al 相,厚度约19.15 m,平均 Al 质量分数为 5%。图 2 T92 钢铝化物涂层组织特征及 XRD 图谱 Fig.2 Microstructure characteristics and XRD pattern of aluminide coating on T92 steel 2.2 高温拉伸性能 不同温度环境中,铝化物涂层对 T92 钢拉伸性能的影响如图 3 所示。试验数据至少取 3 个试样测试的平均值。由图 3 可见,T92 钢铝化物涂层的屈服强度、抗拉强度均略高于基体 T92 钢。图 3 涂层与母材不同温度拉伸性能 Fig.3 Tensile strength of co
21、ating and base metal at different temperatures 116 2023 年 http:/ 图4为T92钢及其铝化物涂层在室温和625 拉伸断口形貌。由图 4 可见:T92 钢的断口面较粗糙,断口形貌呈韧窝特征;T92 钢涂层的断口面相对光滑,涂层主要呈柱状晶结构,部分区域发生明显剥落,但在基体界面处未观察到横向裂纹,仍与基材呈冶金结合;同时,625 较室温下试样断口附近明显发生颈缩现象。图 4 涂层试样拉伸断口形貌 Fig.4 Tensile fracture morphologies of the coating specimen 图5为T92钢及其铝
22、化物涂层在室温和625 拉伸截面形貌。图 5 涂层试样拉伸截面形貌 Fig.5 Tensile cross-sectional morphologies of the coating specimen 由图 5 可见:基体侧出现微小撕裂,且 625 下 T92 钢表面氧化膜较室温下明显增厚;涂层侧发生皴裂,涂层内部出现裂纹,数量较多,极少数裂纹延伸到涂层/基体界面;同时,室温较 625 温度下有/无涂层侧裂纹扩展的速度慢。2.3 高温持久性能 625 下铝化物涂层对T92钢持久寿命的影响如图 6 所示。图 6 有/无涂层 T92 钢在 625 的持久寿命 Fig.6 Creep rupture
23、 time of T92 with/without coating at 625 第 8 期 黄春林 等 铝化物涂层对 T92 钢高温力学性能的影响 117 http:/ 由图 6 可见:低应力状态下,T92 钢涂层的持久寿命略高于基体;高应力状态下,T92 钢涂层的持久寿命略低于基体。图 7 为 625 中 T92 钢铝化物涂层经持久蠕变断裂后的断口形貌。由图 7 可见:经 140 MPa/2 132.7 h 蠕变断裂后,断口出现明显的颈缩现象;基体侧部分区域已明显被氧化,断口形貌呈尺寸各异的韧窝特征;涂层侧断口附近断裂面相对光滑、平整,为脆性断裂,涂层的应用并未影响 T92 钢的组织及断裂
24、方式。图 7 140 MPa/2 132.7 h 持久试样 625 断口形貌 Fig.7 Fracture morphologies of 140 MPa/2 132.7 h creep rupture specimen at 625 图 8 为 625 中 T92 钢铝化物涂层经持久蠕变断裂后的表面形貌。由图 8 可见:涂层侧发生明显皴裂,局部发生剥落;基体侧发生撕裂,局部放大,内部存在较多裂纹且深度各异,基体表面形成絮状氧化物。图 8 140 MPa/2 132.7 h 持久试样 625 表面形貌 Fig.8 Surface morphologies of 140 MPa/2 132.7
25、h creep rupture specimen at 625 图 9 为 625 下 T92 钢铝化物涂层经持久蠕变断裂后的截面形貌。由图 9 可见:涂层侧部分区域发生皴裂,局部出现剥落,但涂层与基体之间结合良好;基体侧可观察到厚度约 38 m 的氧化膜,基体及表面氧化膜发生撕裂,局部放大后,存在深度各异的裂纹;此外,蠕变 2 132.7 h 断裂后,涂层中 Al 质量分数不低于 4%,仍具有形成 Al2O3膜的能力。118 2023 年 http:/ 图 9 140 MPa/2 132.7 h 持久试样 625 截面形貌 Fig.9 Cross-sectional morphologies
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