毕业论文课题相关文献综述
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1前言
近年来,节能和环保日益受到人们的广泛关注，高效率、低排放的超超临界火力发电技术正在此背景下得到了大力发展[1-3]。但是，超超临界机组超高的蒸汽参数不仅需要高温构件能够具有良好的力学性能，而且还要具备其优异的抗氧化特性以及耐腐蚀特性。正是由于T/P92钢有其优异的综合性能，才能逐渐成为超超临界机组高温蒸汽管道及联箱等关键部件的首选材料[4-6]。
随着T/P92钢在超超临界机组上的广泛应用，材料中析出相的沉淀强化作用引起了学者的广泛关注。K.Sawada等人[7-8]对马氏体板条内弥散分布的均匀、细小MX碳氮化物进行了深入研究，指出晶内MX相通过对位错的钉扎作用，显著提高了材料亚结构的稳定性。JaeSeungLee等人[9]在蠕变试验研究的基础上，指出Laves相的出现会导致材料力学性能出现严重的劣化。J.Hald等人[10-13]重点研究了Z相的析出对材料性能的影响，并指出长期服役过程中Z相的析出对材料性能的劣化影响很大。但值得注意的是，在T/P92钢服役的初期，Laves相将首先析出，并且随服役时间的不断延长，其含量和尺寸将会发生显著的变化，这对材料性能的影响是很大的。
因此，以P92钢为主要研究对象，对P92钢进行长期时效试验,在650℃下研究其微观组织和性能在时效过程中的变化，重点对服役过程中Laves想的形成及粗化规律进行研究，旨在为超超临界机组P92钢高温高压部件的安全运行和状态评估提供数据支持。从而提高P92钢的力学性能，使得P92钢能够得到更加广泛的应用，提高国家的经济发展水平。
2P92钢的概述
P92钢是近年来开发出的一种新型火电厂高温高压管道用钢。它添加多种合金元素,采用多种强化手段，比其他铁素体合金钢具有较好的高温强度和蠕变性能，它的抗腐蚀性和抗氧化性能等同于其他含9%Cr的铁素体钢，抗热疲劳性优于奥氏体不锈钢。P92钢的化学成分和力学性能分别见表1、见表2。
表1P92钢的化学成分（质量分数）
C | Si | Mn | Cr | Mo | W | V | Nb | B | Fe |
0.07％ | 0.05％ | 0.45％ | 9.0％ | 0.5％ | 1.8％ | 0.2％ | 0.05％ | 0.004％ | 余量 |
表2P92钢的力学性能
拉伸强度/MPa （常温） | 屈服强度/MPa （常温） | 许用应力/MPa | 持久强度/MPa | ||
600℃ | 650℃ | 600℃ | 650℃ | ||
620 | 440 | 88 | 48 | 132 | 72 |
P92钢在580～625℃范围内具有良好的抗蠕变性能和较高的持久强度，是超超临界机组较为理想的高温高压管道用钢。它可以有效减轻锅炉和管道部件的质量，有利于降低厂房结构的承载，减小管道系统对设备的推力。
P92钢作为电厂高温高压管道用钢,主要失效形式为蠕变断裂[14]。P92钢在工作温度和应力下一般在晶界产生蠕变孔洞导致断裂。蠕变孔洞是在蠕变变形的后期形成的,在高温下蠕变初期会发生组织结构的变化,主要为马氏体板条宽度变大,位错密度降低,析出物长大,同时会析出新的Laves相和Z相。
2.1Laves相
Laves相是一种金属间化合物，析出于P92钢的原奥氏体晶界和马氏体板条界等界面处，这种金属间化合物析出对持久强度的影响目前仍不完全清楚。Mo、W溶入基体中通过固溶强化改善了持久强度[15]。Laves相（Fe，Cr）2（Mo，W）析出减少了基体中固溶元素，从而降低了9-12Cr%钢的固溶强化效果[16-17]。在某些特定的条件下，Laves相析出可以通过析出强化增加持久强度[18]，但是在这种情况下，Laves相的粗化不能太快，以保持材料的抗蠕变性能。
P92钢在高温蠕变过程中会析出Laves相，在初期有利于提高P92钢的蠕变断裂强度，随着时间的推移，Laves相在不断长大，P92钢硬度将不断下降，当Laves相超过临界尺寸时，会诱发蠕变孔洞形核，而造成沿晶断裂。因此，有必要对Laves相的密度和尺寸进行探查，可以通过显微分析的办法进行分析，或者通过硬度测量进行估算。在蠕变和时效过程中，Laves相的析出和W原子的固溶减少会使P92钢硬度下降。
2.2Z相
9-12%Cr钢在高温下长期运行会（由MX相转变）析出化学式为Cr2Nb2N2或Cr2（V，Nb）N2的Z相[19]。Z相是一种复杂的金属间化合物，由于Z相中的合金元素V、Nb、N也是构成该类钢中的主要强化相MX的组成元素，所以Z相的析出是以大量的MX的溶解为前提的，而且析出的Z相在尺寸上要比MX大几个数量级，Z相的析出，不但增加了蠕变孔洞出现的几率，而且会造成MX相在基体中减少，降低弥散强化的作用，故Z相的析出对92钢蠕变断裂有不良影响。
Z相析出驱动力同元素V、N的含量有关，其他诸如微观组织的变化、热处理工艺都会对其有影响。可以通过热力学平衡计算得到Z相的驱动力。N、Cr、Nb含量低，V、C含量高的材料中Z相析出的驱动力最低。Cr含量低的9-12Cr%钢，Z相在600℃时析出的速度极其缓慢，在使用寿命高达30万小时的使用寿命中都影响不大。
3试验材料及试验方法
考虑到试验取样的便利，试验样品取自国产P92钢管，热处理状态为正火 回火，化学成分见表1。对试样在650℃进行不同时间的时效试验，获取了500、1000、3000和10000h的时效试验试样，试样编号分别为H31、H32、H33和H34，原始态的试样编号为H30。观察不同时效时间下试样中Laves相形成，尺寸，分布，形貌及粗化等特征。
采用HB-3000C布氏硬度计对时效前后的试样进行硬度试验。
对时效前后试样进行金相组织试验、扫描电子显微分析和X射线能谱分析。金相组织试验用侵蚀剂为三氯化铁盐酸水溶液，采用的金相显微镜型号为OlympusGX71，扫描电子显微镜型号为FEIQUANTA400，X射线能谱仪型号为OXFORDINCA。
4P92钢国外发展概况
在蒸汽参数更高，如温度超过600℃，压力超过25MPa的先进电站中，在许多不能使用较重的后壁管的情况下，T/P92材料无疑是一个很好的选择，到20世纪90年代初期，P92钢己经在世界范围内发展起来[20]，对P92钢的研究也越来越全面。在蠕变性能方面，欧洲各国对P92钢的孺变强度进行测试和评定；韩国对蠕变过程中P92钢微观析出相和孔洞的变化进行定量分析，并采用了小冲杆蠕变方法；日本对P92钢长期蠕变性能变化规律进行研究，对其禱变强度作出评价，并对螺变过程中析出物的粗化规律及断裂机制进行研究；瑞典利用EFTEM研究P92蠕变后析出相的尺寸和体积分数；丹麦对P92钢蠕变试样所得结果进行对比分析；德国总结了P92钢变强度外推方法[21]。在焊接方面，研究了焊件的螺变断裂行为、硬度分部、微观结构，并预测焊接接头断裂的时间，确定螺变裂纹扩展的潜伏期。现阶段，国外已有大量的研究成果，对剩余寿命评估也日趋成熟，引入一些先进的仪器精确测量蠕变的变形量，并用软件分析材料寿命，使用的分析方法包括螺变孔洞面积法、超声噪声法、氧化层厚度法等。
5P92钢国内发展概况
中国对P92钢的引进较晚，通过十多年的研究，已经在母材的螺变行为、高温时效过程的组织性能、焊接工艺等方面积累了一定的经验和数据。现阶段，对P92钢高温蠕变性能的长期螺变试验数据一般由短时间应力断裂时间试验数据外推得到的，由于试验材料的不一致及试验方法的不稳定，使得外推的可靠度降低[22]，因而针对P92钢高温蠕变的特点，在考虑实际工程应用时，引入了模拟计算来预测螺变寿命，最常见的是L-M参数法、无损检测法、螺变损伤法等；对影响蠕变强度的析出物采用热力学计算软件DICTRA分析其长大规律。P92钢的应用给焊接带来了许多的新问题，其中主要需要解决的有焊接接头脆化、软化和高温时效倾向等。利用ABAQUS软件，对P92钢焊接接头进行有限元模拟，并对焊接热循环曲线峰值温度的分析。
6P92钢最新的研究进展
自从20世纪80年代现代超超临界火力发电机组问世后，超超临界设备已在日本、德国、丹麦等国家大批投产使用。90年代初期日本和欧洲就开始批量建设，2005年日本就建成100台超临界和超超临界机组。截止到现在，世界范围内属于超超临界参数的机组大约有60余台。随着蒸汽温度和压力的提高，电厂的效率大幅度提高，供电煤耗大幅度下降，这将有利于解决火力发电行业面临的节能降耗、减少污染的问题。发展超临界和超超临界火电机组是提高机组热效率、降低CO2排放量的强有效手段。
随着人类向21世纪的迈进，节能和环保已经成为现代工业发展的两大主题。世界各国纷纷采用提高蒸汽参数的方法来提升火力发电机组的热效率[23-24]。然而，超超临界苛刻的蒸汽参数需要铁素体耐热钢具有良好的力学性能和抗氧化特性，这就使得研发新型高铬钢成为了发展超超临界机组的关键环节。在过去的二三十年中，美国、日本、欧洲投入了大量的人力物力用于9%-12%Cr钢的研发，应用较为广泛的有美国橡树岭国家研究所研发的T91(小径管)/P91(大径管)钢、日本新日铁公司研发的T92/P92钢和欧洲COST501项目研制的E911钢等[25-27]。
目前作为9%-12%Cr铁素体耐热钢的代表钢种，P92钢凭借其优异的综合性能逐渐成为超高参数的超超临界机组的理想用钢[28]。但更为重要的是，随着运行时间的积累，寿命预测及运行监督成为了目前T/P92运用过程中所面临的主要问题。
7对未来的展望
为了提高发电效率、节约能源和减少温室气体的排放，使得发展超超临界火力发电技术已经成为提升火电厂热效率的有效途径，并且新一代超超临界机组必然将朝着更高蒸汽参数的方向发展[29-30]。目前世界火力发电技术主要是通过提高工作介质(蒸汽)的参数，即提高蒸汽温度和压力，来提高火力发电厂效率，这对新型耐热钢的性能提出了更高的要求。虽然目前对铁素体耐热钢的研究已经取得了一定的研究进展，成就很大，但今后还有许多重要的工作要做，任务是任重而道远。
(1)材料微观结构的长期稳定，需要进一步对合金元素进行优化。
从20世纪末开始，日本和欧洲就已经对W，C，B，N等元素含量对材料微观结构和力学性能的影响进行了系统的分析和研究[31-39]，很多的研究成果在实际材料的设计过程中得到了具体的运用。但是还有一些合金元素如Ta、Ti等能提高材料的蠕变强度和抗氧化性能，对于这些元素对T/P92性能的影响还有待研究。
(2)为了承受更高的温度和压力，开发新型铁素体耐热钢势在必行。
近几年来国内外已经报道了许多这方面的研究成果，从工艺角度出发，开发出通过生成细小氧化物颗粒来实现弥散强化作用的ODS钢(OxideDispersionStrengthenedSteel)[40]；从合金化角度着手，在对B，C，Ti等元素研究和组成优化的基础上，日本成功地研制了9Cr-3W-3Co钢[41-42]，欧洲也积极地对12%Cr高强度铁素体耐热钢进行了探索和研究[43-46]。短时蠕变破断试验已经证实了这些新型钢的蠕变破断强度比P92高，9Cr-3W-3Co钢的应力与破断时间关系如图1所示，但是材料的长时试验及综合性能仍需要进一步研究。
(3)在P92钢长时服役微观结构变化的原因和蠕变寿命预测等方面还需要深入探究。
材料微观结构的长期稳定性直接关系到超超临界机组的安全运行，虽然一些学者对蠕变强度过早降低的原因进行了较多试验研究，但在机理上仍存在比较大的分歧，各种理论还需要大量的长时间的试验来证实。此外，在对服役过程中沉淀相行为、材料劣化机理正确理解的基础上，如何实现对寿命的准确预测，将是今后一个重要的研究方向。
（4）锅炉过热器和高温再热器选材主要考虑蠕变强度、热疲劳性能、良好的焊接性能、向火侧耐腐蚀和蒸汽耐氧化能力。
这些对于受热面高温金属材料的挑战更加严峻，如何选择高温金属材料将是我国今后超超临界机组技术需要投入大量精力的持久研究课题。
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表1P92钢的化学成分（质量分数）
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