【摘 要】
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630℃至700℃先进超超临界燃煤发电技术（A-USC机组）是目前乃至未来相当长一段时间内世界各国在清洁高效燃煤发电领域重点发展的前沿技术。对于实现全球“碳达峰与碳中和”的目标具有重要的现实意义。A-USC机组中锅炉和汽轮机组中关键构件用金属材料是非常难以逾越的瓶颈,也是亟需解决的现实工程问题,其中主要涉及高温组织演变及高温力学性能退化等科学问题。本课题选取其中具有代表性的两种类型材质,包括一种W
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630℃至700℃先进超超临界燃煤发电技术（A-USC机组）是目前乃至未来相当长一段时间内世界各国在清洁高效燃煤发电领域重点发展的前沿技术。对于实现全球“碳达峰与碳中和”的目标具有重要的现实意义。A-USC机组中锅炉和汽轮机组中关键构件用金属材料是非常难以逾越的瓶颈,也是亟需解决的现实工程问题,其中主要涉及高温组织演变及高温力学性能退化等科学问题。本课题选取其中具有代表性的两种类型材质,包括一种W3Co3类11%Cr新型马氏体耐热钢,牌号为11Cr-3W-3Co耐热钢;以及另一种备选的镍基合金类耐热合金材料,牌号为725型Ni Cr Mo Nb Al Ti镍基合金。基于630℃-650℃用耐热钢以及650℃-750℃用镍基高温合金高温服役工况为研究背景,针对11Cr-3W-3Co耐热钢在630℃-650℃高温长期服役工况下的热时效行为、蠕变变形行为和蠕变断裂行为,以及IN725合金在560℃-920℃较大温度范围组织演变规律等主要方面,应用SEM-BSE、EBSD、XRD和TEM等先进手段对材料在长期热时效蠕变过程中的析出相形核及长大规律、位错随时效时间的转变特点以及基体组织等微观结构进行了详细的研究分析讨论;同时对耐热钢进行625℃-650℃-675℃不同应力条件下的高温蠕变持久性能实测试验分析讨论,获得了稳态蠕变方程,针对不同温度和应力下蠕变试样的微观组织（包括析出相的种类、形貌及亚结构）的演变过程,着眼于晶内及晶界析出相及演化,位错与亚结构在蠕变各阶段的作用机制等,系统地开展了11Cr-3W-3Co耐热钢和IN725合金的蠕变机理研究。所研究耐热钢650℃长期时效结果表明:Laves相主要在马氏体板条界、原奥氏体晶界和M23C6相界面附近析出,随着时效时间的延长,在M23C6附近析出的Laves相将通过吞噬M23C6的方式长大直至完全吞并碳化物颗粒。同时基体组织内部析出相的含量和尺寸随着时效时间的延长发生了明显的变化,材料内部的高密度位错明显降低,亚晶尺寸明显增大,这些显著降低了材料长期蠕变性能。IN725镍基合金高温蠕变试验结果表明:长期时效后蠕变性能明显降低,这主要是因为长期时效后材料内部微观组织的演变所导致。长期蠕变变形和断裂分析结果表明:不同温度和应力下IN725合金的蠕变机理会有明显差异,材料蠕变机理受该温度下析出相和外加应力影响强烈。本文对比研究结果进一步揭示了A-USC机组用耐热钢及镍基合金在高温过程下的组织演化的微观细节,以及高温力学性能的退化现象的材料科学机理。为耐热钢和镍基合金部件安全设计的阈度提供了试验数据支撑。对评估高温应力服役环境下耐热钢及镍基合金的蠕变变形规律以及蠕变持久断裂预期寿命具有重要的理论意义。
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