超超临界机组马氏体耐热钢异种焊接接头蠕变行为研究

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12Cr10Co3W2Mo Ni VNb NB(简称Co3W2)钢为我国自主研发的新型马氏体耐热钢,F92属日本研发的92系马氏体耐热钢,现已国产化。两种钢材具备优异的高温性能,F92/Co3W2异种焊件被东方电器集团用于制造超超临界机组用过/再热器等部件。国内外尚未见针对F92与Co3W2异材质焊接接头的研究报道,为保障F92/Co3W2异种钢焊接接头的高温服役安全,有必要对其焊接性及高温蠕变性能开展系统深入的研究。本文以F92/Co3W2焊接接头为主要试验对象,在115-200 MPa和873-893 K条件下开展高温拉伸蠕变实验,研究其组织变化与蠕变断裂行为。结合扫描/透射电镜结果,从位错、析出相形核粗化、蠕变空洞、二次裂纹和断面形貌等方面研究其蠕变行为。采用Norton幂律公式、Monkman-Grant关系、Larson-Miller参数和蠕变损伤容限系数对蠕变数据开展研究,外推不同温度下服役寿命十万小时对应的蠕变断裂应力,分析比较温度和应力变化对蠕变寿命差异影响。并采用纳米压痕技术,获得不同蠕变损伤程度的焊接微区局部纳米硬度、约化模量、塑性指数、应变率敏感性和活化体积,研究高温蠕变对焊接接头微区力学性能的影响。试验结果表明,随着高温蠕变外加应力的降低,焊接接头断裂位置和断裂模式由F92母材的穿晶韧性断裂转变为F92细晶热影响区(IV型断裂)的沿晶脆性断裂,Ⅳ型失效的临界应力σ∈(140,120)MPa。基于LMP外推十万小时下873 K和893 K对应的蠕变断裂应力分别为112.3 MPa和84.0 MPa。计算得到的归一化蠕变寿命增长率表明,在本研究的特定温度和应力范围内,应力变化对蠕变寿命的影响比温度变化更大。蠕变损伤容限系数的演变表明存在不同的主要损伤微观机制,且与材料的退化有关,如断裂部位附近的析出物粗化、亚晶粒粗化、位错密度下降以及蠕变空洞的形核和生长等。Co3W2一侧的显微结构的变化经过2735小时的蠕变对其蠕变强度仍有积极影响,其长期蠕变后的局部物理力学性能优于短期蠕变,这与Co3W2中Laves相演化较慢等微观结构变化有关,而F92一侧则相反。蠕变过程中活化体积的变化与应变率敏感性变化一致,两者都与结构蠕变损伤的时空变化相关。
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