隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速增長，對電力的需求量 也越來越大，燃煤火力發(fā)電由于其煤炭資源豐富、 成本低、供電穩(wěn)定等優(yōu)點一直是我國電力供給的 主要方式，而大力發(fā)展清潔高效的超超臨界火電 機(jī)組技術(shù)是實現(xiàn)節(jié)能減排戰(zhàn)略目標(biāo)和保障國家能 源安全的重要措施之一。目前，已經(jīng)投入商業(yè)運(yùn) 行的機(jī)組的最高進(jìn)汽溫度已經(jīng)達(dá)到 620℃，未來 發(fā)展方向?qū)⑹?630℃以上火電機(jī)組項目?，F(xiàn)已 有兩臺 630℃超超臨界汽輪機(jī)組( 大唐鄆城、神華 清遠(yuǎn)) 在建，而高蒸汽參數(shù)火電機(jī)組汽輪機(jī)的缸 體、轉(zhuǎn)子等高溫關(guān)鍵部件是制約整個火電機(jī)組應(yīng) 用的重要因素。

高效率的超超臨界火力發(fā)電技術(shù)已經(jīng)成為國 內(nèi)外的研發(fā)熱門。日本、歐洲等已開始研發(fā)應(yīng)用 于更 高 溫 度 的 耐 熱 鋼，典 型 代 表 為 日 本 的 MAＲBN 鋼、歐洲的 Z 相增強(qiáng)鋼以及鋼鐵 研究總院的 G115 鋼。本文針對 9Cr-3W-3Co 鋼在熱處理過程中的組織演變進(jìn)行系統(tǒng)分析，測試了鑄件的常溫和高溫力學(xué)性能，為 9Cr-3W-3Co 耐熱鑄鋼在 630 ～ 650℃ 超超臨界火力發(fā)電機(jī)組 高溫關(guān)鍵部件的應(yīng)用可行性提供參考。

采用真空感應(yīng)爐冶煉鑄造 40 kg 鋼錠試驗 件，化學(xué)成分見表 1。鑄態(tài)試樣在均質(zhì)化處理后， 采用 1180℃保溫 2 h 后空冷，并在 740℃ 保溫 6 h 后回火。試驗中采用金相( Axiovert200MAT) 及掃 描( QUANTA400) 觀察鑄態(tài)、均質(zhì)化、正火、回火不 同熱處理過程中的微觀組織，同時采用 EDS 對基 體及析出物進(jìn)行微區(qū)成分分析。 鑄件分別進(jìn)行硬度、沖擊、室溫及高溫拉伸、 持久等性能測試。硬度試驗采用維氏硬度測量， 載荷為 10 kg; 沖擊試驗采用夏比 V 型缺口試樣; 拉伸試驗分別在室溫及 650℃ 下進(jìn)行，試樣為5 mm 的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣; 持久拉伸試驗測試溫度 650℃，所用應(yīng)力分別為 100 MPa 及 170 MPa。根 據(jù) GBT 2039—2012《金屬材料 單軸拉伸蠕變 試驗方法》，持久試驗采用5 mm 的圓形橫截面 標(biāo)準(zhǔn)持久試樣，對不同應(yīng)力下的斷裂時間進(jìn)行記 錄。持久試樣斷裂后，使用丙酮對斷口進(jìn)行超聲 波清洗（使用儀器廠家為昆山超聲波KQ-300DE），利用掃描電鏡觀察斷口表面。

由于大型鑄件無法利用鍛壓、軋制等熱變形 方法來調(diào)整產(chǎn)品內(nèi)部組織，只能單純依靠熱處理 對產(chǎn)品進(jìn)行最大限度的組織與性能優(yōu)化，所以合理的熱處理工藝對鑄件產(chǎn)品的質(zhì)量至關(guān)重要。

鑄態(tài)組織以板條馬氏體為主， 存在少量的 δ 鐵素體，并可以看出大量 M3B2 呈 網(wǎng)狀分布 ，這些高合金含量的 B、C 化 合物聚集了大量的合金元素和 B、C 元素，在材料 中難以起到有效的強(qiáng)化作用，所以必須消除這些 粗大 B、C 化合物，將其中的合金元素釋放出來， 使其溶于基體進(jìn)行固溶強(qiáng)化或是參與形成更有效 的強(qiáng)化相。通過均質(zhì)化熱處理后 δ 鐵素體及網(wǎng)狀 M3B2 基本消除，并在一定程度上消除偏析，使組 織中的元素分配更加均勻。 正火后合金元素更加均勻的固溶到基體中， 幾乎未見顆粒狀 M3B2 相 。合適的正 火溫度和時間，也可獲得合適的晶粒尺寸，為后續(xù) 的回火過程做好組織準(zhǔn)備。回火后組織為回火馬 氏體組織，正火處理后的 Cr、W、Nb、V 以及 C、B、N 等元素絕大部分都固溶在馬氏體基 體內(nèi)，并且在回火過程中，這些元素擴(kuò)散并形成細(xì) 小彌散的析出相從基體中析出，這些彌散的第二相為材料提供優(yōu)良穩(wěn)定的高溫性能; 另一方面，回 火處理可適當(dāng)降低材料內(nèi)位錯密度，提高材料韌 性，降低材料加工難度。

9Cr-3W-3Co 鋼鑄態(tài)及不同熱處理過程中的 掃描照片，鑄態(tài)網(wǎng)狀 M3B2 和 δ 鐵素 體經(jīng)過均質(zhì)化和正火后均被有效消除，回火后析 出相以原奧氏體晶界、大角度板條界和板條束界 分布的 M23C6 及內(nèi)部彌散的 MX 為主。成分分析表明 δ 鐵素體中 W 和 Cr 的含量明顯高于基 體，鑄態(tài)中鏈狀的析出相是 Fe、W、V、Cr 元素的硼 化物，即為 M3B2 ; 回火組織中原奧晶界處的析出 相為( Cr，F(xiàn)e，W，V) 23C6。 綜上，熱處理后的典型組織為回火馬氏體，由 馬氏體板條、高密度位錯和彌散分布的第二相粒 子組成。板條結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性關(guān)系著耐熱鋼高溫力 學(xué)性能的穩(wěn)定性，合適的熱處理工藝是獲得穩(wěn)定 組織的重要因素。

鑄件的常溫抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為 838 MPa 和6 9 2 MPa ，延伸率和斷面收縮率分別為MPa 下持久試樣進(jìn)行了斷口 SEM 分析?？梢钥闯?，試樣呈現(xiàn)微孔聚集型的斷裂機(jī)制， 韌窩的產(chǎn)生是由于顆粒形成的孔洞擴(kuò)展而引起， 具有顯著的塑性斷裂特征。持久斷口韌窩的萌發(fā) 多是由于第二相與位錯環(huán)之間積累的彈性應(yīng)變能 高于其與基體間的結(jié)合力造成的，在韌窩的底 部常可觀察到第二相粒子。

熱處理過程能夠較好的消除 9Cr-3W-3Co 鋼鑄態(tài)組織中的高溫鐵素體及大量的 M3B2，回火 組織主要為回火馬氏體，碳化物以 M23 C6 和 MX 為主， 9Cr-3W-3Co 鋼鑄件的常溫屈服強(qiáng)度為 692 MPa，高溫 650℃屈服強(qiáng)度可達(dá) 278 MPa; 并且 具有良好的沖擊韌性，常溫沖擊韌性高達(dá) 47 J; 在 650℃ 170 MPa 條件下，持久斷裂時間大于 2000 h，應(yīng)力 100 MPa 條件下已持續(xù) 5000 h， 9Cr-3W-3Co 鋼鑄件具有較優(yōu)異的性能， 可以作為 630℃ 650℃ 超超臨界火電機(jī)組高溫關(guān) 鍵部件的備選材料之一。

經(jīng)過實際生產(chǎn)的檢驗，把前期多次試驗研制 的工藝和參數(shù)進(jìn)一步調(diào)整，使其更適合實際工件 的生產(chǎn)。降低回火溫度，提高了綜合力學(xué)性能。 增加預(yù)冷的環(huán)節(jié)，既控制了淬火時火焰造成的隱 患，又解決了端部裂紋的問題。整個生產(chǎn)過程控 制安全合理，適合后期批量生產(chǎn)。