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加热温度对S30432不锈钢管内壁喷丸处理效果的影响 

发布时间:2021-04-19

在不同温度下对进口Super304H和国产S30432不锈钢管进行的保温2h的热处理对比试验结果表明:当加热温度超过750℃时喷丸形变层的微观组织会发生退化,且碎化晶层组织退化速度高于多滑移层组织,导致Cr元素向表面扩散迁移的能力降低;喷丸处理质量会显著影响喷丸形变层的抗高温软化能力;进口Super 304H喷丸管因形变组织硬度更高且分布均匀而使其短时间抗高温软化能力比国产S30432喷丸管高出100℃以上。为了充分利用喷丸处理的表面加工硬化能力,需确保喷丸处理的质量以及弯管加工或者焊后热处理时的温度不超过730℃。

    S30432(类似于国外Super 304H)不锈钢管是目前国内研发的超超临界发电机组锅炉过热器和再热器用材之一,为了进一步提高这类材料的抗蒸汽氧化性能,通常采用内壁喷丸处理的方法使其内表面及亚表层产生加工硬化以促进Cr元素的扩散,从而促使不锈钢管管壁内表面在机组运行初期就形成一层结构致密的Cr2O3保护膜。但是,目前喷丸处理工艺大都是针对受热面管屏制造安装以前的直管实施的,至于喷丸直管在后继焊接和弯管后热处理等加工过程中喷丸硬化层的微观组织结构和性能是否会产生变化尚未见相关报道。为此,本文在实验室条件下对内壁已进行喷丸处理的国产S30432和进口Super 304H不锈钢管进行了不同温度等级的热处理,并对不同温度热处理后的喷丸形变层组织形貌特征和显微硬度变化规律进行研究,以期为喷丸管焊接和变形后热处理等提供技术支持。

1  试验材料及方法

    本试验所用1号管样为国产喷丸处理的S30432不锈钢管,规格为d45 mm×8.9 mm2号管样为从日本住友公司进口的喷丸处理Super 304H钢管,规格为d48.3 mm×8.5 mm。两根管样的晶粒度均为67:级,力学性能和化学成分分别符合ASME Code Case2328A 213/A 213M - 07标准。1号管样喷丸硬化层的碎化晶层较_薄,局部不连续,硬化层厚度和硬度分布不均匀,而2号管样喷丸硬化层的碎化晶层较厚且均匀,其硬化层的厚度和硬度分布均匀性均优于1号管样。    

    1号、2号管样取圆环状样品进行热处理试验,样品随炉加热,分别在6507507758008509501150℃保温2h,然后出炉水冷。热处理后用OPTON高级体视显微镜观察分析内壁的宏观形态,用金相显微镜分析组织特征、测量喷丸形变层的深度等,用显微硬度计测定维氏硬度,用扫描电镜进行内壁表面背散射电子(BEJ)和二次电子(SEI)图像分析.用EDAX进行成分半定量分析。

2  内壁喷丸层的宏观形貌特征

    各试样内壁宏观形貌特征的对比观察结果表1.部分试样内壁低倍组织的典型形貌特征见图1

    从表1和图1可以看出:(1)随着热处理温度的升高,各管样内壁经过:首先形成氧化色(即氧化膜)一氧化色加深一在氧化膜上生成零星氧化斑痕一氧化斑痕增大变厚形成氧化皮一氧化皮增厚一氧化皮增厚至一定厚度一氧化皮脱落。(2)1号、2号管样喷丸层抗短时间高温空气氧化能力有一定差异。1号管样775℃时内壁约有30%面积形成氧化皮,850℃时内壁巳全面形成氧化皮并且局部氧化皮已经产生零星剥落,2号直管样直到850℃时内壁才形成厚氧化膜或薄氧化皮,接近950℃时才全面形成氧化皮并发生局部剥落。说明本试验中国产喷丸管的喷丸层质量不及进口喷丸管。

    另外,经对国产S30432不锈钢管内壁丸管和未丸管(内外壁经过酸洗的供货态管)进行650℃热处理对比试验发现,未经喷丸处理的供货态管样内外壁均会形成一定厚度的灰黑色氧化皮,而经喷丸处理的管样内壁仅呈氧化色,未生成氧化皮。因此,结合表1的对比结果表明,良好的表面喷丸硬化处理可使S30432类不锈钢管的抗短时间高温空气氧化能力提高,提高幅度约为150200℃。

3  内壁喷丸形变层的微观组织形貌特征

  将不同温度热处理后的管样制成金相样品,在ZEISS Imager. Alm研究级显微镜下进行内壁丸形变层的微观组织形貌特征观察分析和厚度测量,其测量结果见表2,典型形貌特征见图2。检测结果发现:(1)在高温热处理过程中,内壁喷丸层的碎化晶层会经历以下变化过程:位错密度降低一胞状结构形成一细小品粒形成一晶粒长大;内壁喷丸层的多滑移层退化特征是滑移带和滑移系统数量的减少,品粒大小基本不变。在高温热处理过程中内壁喷丸层的碎化晶层退化速度要高于多滑移层。(2)在保温2h条件下,1号管样内壁喷丸层的碎化晶层再结晶温度范围约为750-800℃,2号管样内壁喷丸层的碎化晶层再结晶温度范围约为775800℃。(3)650℃热处理后,1号、2号管样内壁喷丸层的碎化品层虽然未发生再结晶,但其形变组织已发生回复,如位错密度和残余应力降低。(4)1  150℃热处理后,1号、2号管样内壁喷丸形变层形态消失,再结晶晶粒存在孪晶,原多滑移层和单滑移层的品粒大小未发生明显变化。

4喷丸硬化层的维氏硬度变化

    本试验所用硬度计型号为FM - 700,试验载荷为200 9,各种热处理态检测试样均采用磨制好的镶嵌金相样品,测量位置为距管内壁60 lim处,母材基体硬度测点在管壁厚度中部,测试结果见表3。从表3可知:(1)1号管样经650℃热处理其喷丸硬化层的硬度即降至企业标准规定值以下,而2号管样经750℃热处理其丸硬化层的硬度虽然也已下降但仍基本满足企业标准的要求,这表明进口Super 304H喷丸管的短时间抗高温软化能力比国产S30432喷丸管高100℃以上,其主要原因是2号管样形变组织硬度更高且均匀。(2)随着热处理温度升高,管样喷丸层硬度逐渐下降。热处理温度为950℃时原喷丸层位置的硬度均低于200HV0.2,但仍高于母材硬度;热处理温度为1 150℃时原丸层位置的硬度仅稍高于母材硬度。

5  Cr元素的分布规律

EDAX1号、2号金相试样的内壁喷丸形变层和母材基体进行能谱分析,其中Cr元素含量分布规律如图3所示。从图3可以看出:(1)650℃和750℃热处理后,1号、2号管样内壁喷丸层外侧的Cr含量均高于19.00%,而775800850℃热处理后,1号、2号管样内壁喷九层外侧的cr含量部分低于19.00%

    如:775℃热处理后1号管样内壁喷丸层外侧的Cr含量为18. 53%800℃热处理后2号管样内壁喷丸层外侧的Cr含量为18. 61%850℃热处理后Cr含量为18. 92%(2)950℃热处理后,1号、2号管样内壁原喷丸层外侧的Cr含量均高于19. 00%(3)1 150℃热处理后,管样内壁原喷丸层外侧的Cr含量均低于19. 00%。这表明:在650750℃温度范围,各管样内壁喷丸层仍保持良好的向外表面输送Cr元素的能力;在775850℃温度范围,各管样内壁喷九层的形变组织不同程度退化,向外表面输送Cr元素的能力降低;在9501  150℃温度范围,管样材料的高温空气氧化机理发生变化,随着氧化温度升高,氧化速度明显加快,向外表面输送Cr元素的能力不及氧化消耗的Cr量,造成内壁原喷九层外侧的Cr含量降低。

6  结  论

    (1)在保温2h的试验条件下,当加热温度超过750℃时丸形变层的微观组织即发生退化,且碎化品层组织退化速度比多滑移层组织快,导致Cr元素向表面快速扩散迁移的能力降低。

    (2)喷丸处理质量会显著影响丸形变层的抗高温软化能力,进口Super 304H不锈钢管因形变组织均匀且硬度更高而使其短时间抗高温软化能力比国产S30432不锈钢管高出100℃以上。

    (3)为了充分发挥喷丸处理的表面加工硬化作用,首先要确保喷丸处理的质量,其次要注意弯管加工或者焊后进行热处理时的温度不超过730℃。

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