新型耐热钢研究现状

新型耐热钢的研发现状

新型耐热钢在原耐热钢的基础上进一步多元合金化以及优化制造工艺。采用固溶强化、弥散强化、位错强化、碳化物强化、Laves相强化等复合强化机制，提高了材料的综合性能，以满足超超临界机组的选材要求，确保发电设备的安全运行。

现阶段我国经济正在稳定快速发展，对电能的需求不断增加。预计到2020年全国装机容量将达到10亿千瓦，其中火电装机容量仍将占70%以上，发展超超临界机组将是我国火力发电提高效率、节约能源、改善环境、降低发电成本的必然趋势。众所周知，发电效率的提高必然提高锅炉蒸汽参数。蒸汽压力及温度参数提高后对耐热钢提出了更苛刻的综合性能要求，尤其是要求材质具有优异的热强性能、抗高温腐蚀、抗氧化性能、焊接性能、冷加工和热加工性能等。

超超临界锅炉用钢可分为两大类：奥氏体钢和铁素体钢（包括珠光体、贝氏体和马氏体及其两相钢）。奥氏体钢比铁素体钢具有更高的热强性、抗氧化性能，但膨胀系数大、导热性能差、抗应力腐蚀能力低、工艺性差，热疲劳和低周疲劳（特别是厚壁件）性能也比不上铁素体钢，且成本要高。目前国内新建超超临界机组的关键部件均采用了大量新型耐热钢，因而对此类材质的综合性能、强化机理、服役性能、国产化的研究迫在眉睫。

1 新型铁素体钢研发现状

铁素体钢按照主要元素Cr的加入量可划分为2-3Cr、9Cr、12Cr三

大系列。总体来说，铁素体耐热钢研发经历了Mo系→Cr-Mo系→Cr-Mo-V系→Cr-W-V系的历程。

Cr不仅改善钢的抗氧化性能，而且能起到固溶强化作用；W、Mo 主要为固溶强化，也参与形成析出强化，可以提高钢的高温强度；V的加入可以明显降低蠕变速度，Nb可以提高钢的强度，复合加入V、Nb 易形成纤细弥散稳定的MX碳化物而产生沉淀强化(以0.25％V和0.05％Nb的组合最为有效)，对蠕变断裂强度影响很大；Cu可代Ni稳定蠕变强度，抑制δ铁素体的形成；B进入M23C6碳化物，并偏聚于M23C6和基体间的界面从而阻止M23C6的粗化，同时促进VN形核而提高蠕变强度；Co除固溶强化作用外，还延缓了马氏体在高温回火时的回复，并促进回火时细小碳化物的形核，还减慢碳化物的熟化长大，从而提高蠕变强度。

中国自行研制的钢102（12Cr2MoWVTiB），在570～595℃这一温度区内，具有足够的抗氧化性能，且比12Cr1MoV钢有较高的许用应力，是性能价格比好且经实践考验的低合金热强钢钢种。

HCM2S是在T22（2.25Cr-1Mo）钢的基础上吸收了钢102的优点改进的，600℃时的强度比T22高93％，与钢102相当。但由于C含量降低，加工性能和焊接性能优于钢102，可以焊前不预热，焊后不热处理（壁厚≤8mm）。该钢已获得ASME锅炉压力容器规范CASE2199认可，被命名为SA213-T23。目前HCM2S已做出大口径管，性能达到小口径管的水平。

T24（7CrMoVTiB10-10）钢是在T22钢的基础上改进的，与T22

钢的化学成分比较，增加了V、Ti、B含量，减少了C含量，于是降低了焊接热影响区的硬度，提高了蠕变断裂强度。T24也可以焊前不预热、焊后不热处理（壁厚≤8mm）。

低合金(2～3%Cr)钢在火电锅炉作为压力部件得到大量应用，特别是过热器、再热器的低温区域以及水冷壁，在联箱和管道中应用也比较普遍。其关键的性能要求包括：450℃以下良好的抗拉强度；无需焊后热处理的优异焊接性能；良好的抗蒸汽氧化性能；通过堆焊或喷涂获得较优异的抗烟气腐蚀性能。其中新型的低合金钢T23、T24钢是超临界、超超临界锅炉水冷壁的最佳选择材料；并可应用于壁温≤600℃的过热器、再热器管，P23可以用于壁温≤600℃的联箱。

9Cr1Mo钢在20世纪60年代起就得到应用，80年代美国在此基础上成功地开发出T91钢，用于制造锅炉过热器、再热器并投入运行，同钢种大口径管牌号为P91，用于制造集箱和管道。以后日本和欧洲对T91钢又加以改良，使其具有更高的蠕变断裂强度、断裂韧性、抗热腐蚀性、可加工性和可焊性。改进型的T91钢，不仅提高了使用温度，可以用于600℃～650℃，而且由于其强度的提高，在同样工作压力下可以减少管壁厚度。其综合性能使T91和P91钢成为主蒸汽温度由566℃过渡至600℃的关键材料，可部分替代TP304H制造过热器与再热器管，有明显的经济效益。

20世纪90年代，新研发的T92/P92钢是用V、Nb元素合金化并控制B和N含量的新型铁素体钢，具有优异的高温强度和蠕变性能。欧洲实践经验表明：T92最适用于蒸汽参数在580℃～600℃(金属最高温

度600℃～620℃)的锅炉本体(过热器、再热器)。P92材料也适用于锅炉外部的蒸汽参数高达625℃的高温部件。除合金元素的固溶强化外，P92另外一个强化机制在于Laves相的强化，采用W、Mo复合强化——形成的复杂Laves（AB2）相，具有较高的稳定性，能使长时间持久强度保持在较高的水平。

E911钢是由欧洲COST项目研究开发的，它的高温蠕变断裂强度超过TP300 系的奥氏体不锈钢，具有优良的断裂韧性、抗热腐蚀性、可加工性和焊接性，引起了人们的极大关注。其600℃的105h持久强度比T91钢高30％，也高于TP304H钢、TP321H钢和TP347H钢的持久强度。

在锅炉实际运行环境下，9%Cr铁素体钢具有较高蠕变强度和运行温度下的组织稳定性、高的AC1 温度、良好的焊接性能和低的IV型裂纹敏感性、抗蒸汽氧化能力、疲劳性能等，此类钢主要用于制造高温过热器、再热器管以及高温集箱和蒸汽管道。其中T/P91钢具有优良的综合性能，目前在我国的亚临界和超临界机组中已经得到了广泛应用。

上世纪60年代未，德国研究开发了12％Cr钢，F12（X20CrMoV121）钢和F11（X20CrMoWV121）钢，主要用于壁温达610℃的过热器、壁温达650℃的再热器以及壁温为540℃～560℃的联箱和蒸汽管道，但其含碳量高，焊接性较差。

T122/P122（HCM12A）是在德国钢号X20CrMoV121的基础上改进的12%Cr钢，添加2％W、0.07%Nb和1%Cu，固溶强化和析出强化效果都有很大增加，600℃和650℃的许用应力分别比X20CrMoV121提