超超临界机组耐热钢真空电子束焊接件蠕变行为研究

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超(超)临界发电机组参数的提升不仅可以提高发电效率更可以有效解决当前碳排放的热点问题。目前,国内超超临界发电机组的高温部位常用钢种多为国外进口,对于自主研发的耐热钢的高温性能还需进一步研究。此外,实际服役过程中发电机组高温零部件往往伴随蠕变现象,进而导致失效,故而对于机组用马氏体耐热钢焊接接头蠕变性能的研究成为热点。关于耐热钢焊接接头的蠕变性能的研究多为国外研发钢种,我国自主研发的耐热钢的焊接接头蠕变性能研究颇为不足。再者,高温单轴拉伸测接头蠕变性能往往只能测得接头整体的蠕变断裂性能,对于接头不同微区间的蠕变性能无法获取。相较于单轴拉伸的费时费料,纳米压痕测蠕变只需少量材料与时间,而且由于纳米压痕仪的载荷-位移的高分辨率,研究接头不同微区蠕变性能的可针对性强。因此,针对上述问题,本文通过高温蠕变-持久拉伸试验和纳米压痕相结合的方式对我国自主研发的Co3W2耐热钢焊接接头蠕变行为进行研究,主要工作和结论如下:(1)利用高温蠕变-持久试验研究Co3W2钢焊接件在高温应力下的蠕变行为,通过对接头蠕变试验结果分析以及蠕变后接头内部组织形貌的观察,研究接头的断裂模式和断裂机理。结果表明:焊接接头高温蠕变断裂模式主要为高应力下的塑性母材断裂以及低应力水平的脆性IV型开裂。IV型开裂的主要原因是热影响区细晶区处的大量蠕变孔洞蠕变过程时形核、长大及相互聚集连接形成微裂纹,最后导致失效。M23C6和Laves相为蠕变孔洞的形核提供有利条件。(2)通过纳米压痕测接头不同微区的室温蠕变性能对高温蠕变断裂试验进行反馈发现,焊接接头焊缝处的蠕变应变速率敏感性指数m最小,抗蠕变性能最好。热影响区和母材的m高于焊缝,说明在蠕变过程中热影响区和母材最易发生蠕变失效,结果与高温蠕变断裂试验结果一致。(3)对高温蠕变-持久试验所得数据进行分析与寿命预测,蠕变断裂寿命强烈依赖于蠕变速率,修正后的Monkman-Grant方程更适合本研究的蠕变数据。蠕变损伤容限因子λDP值表明蠕变损伤是由空洞增长引起的。基于Larson-Miller Parameter方法,外推出接头的临界应力在195~250 MPa之间,同时基于蠕变断裂数据外推出焊接接头在650和625℃下10万小时寿命的许用应力满足工业使用要求。(4)基于微区蠕变性能通过热处理对接头不同微区进行差异性优化。优化结果表明PWNT(正火)相较于PWHT(回火),使得接头的不同微区的组织、硬度均匀化,而且接头的微区抗蠕变性能也得到了更好的优化,应变速率敏感性指数趋于同一水平。
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