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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(jian):2021-04-19

在不同温度下(xia)对进口Super304H和国(guo)产S30432不(bu)锈钢管进行(xing)的保温2h的热(re)处理对比(bi)试验结果(guo)表明:当加(jia)热(re)温度超过(guo)750℃时喷丸形变层(ceng)的微观(guan)组织(zhi)会发(fa)生退(tui)化,且碎化晶层(ceng)组织(zhi)退(tui)化速度高于多滑移层(ceng)组织(zhi),导(dao)致Cr元素(su)向表面扩散迁移的能力降低;喷丸处(chu)理(li)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(xing)变组织硬度更(geng)高且分布均(jun)匀而使(shi)其(qi)短时间抗高温软(ruan)化能力比国(guo)产S30432喷丸管(guan)高出100℃以上。为了充分利用喷丸(wan)处(chu)理(li)的(de)表面(mian)加工(gong)硬化能力,需确(que)保喷丸(wan)处(chu)理(li)的(de)质量以及弯管(guan)加工(gong)或者焊后(hou)热处(chu)理(li)时(shi)的(de)温度不超过730℃。

    S30432(类(lei)似于国外Super 304H)不(bu)锈钢管是目前国内(nei)(nei)研发的(de)超超临界(jie)发电机组(zu)锅炉过热(re)器和再热(re)器用(yong)材之(zhi)一(yi)(yi),为(wei)了进一(yi)(yi)步提高这(zhei)类材料的(de)抗蒸汽氧化性能,通常采(cai)用(yong)内(nei)(nei)壁喷(pen)丸处理的(de)方法使(shi)其内(nei)(nei)表面(mian)及(ji)亚(ya)表层产(chan)生加工(gong)硬化以(yi)促进Cr元(yuan)素(su)的扩(kuo)散,从而(er)促使不锈钢管(guan)管(guan)壁内表面(mian)在机组运行初期就形成一层结构(gou)致密的Cr2O3保护膜。但是(shi),目前喷丸(wan)处理工(gong)艺(yi)大都是(shi)针对受热(re)面(mian)管(guan)屏(ping)制造安(an)装(zhuang)以(yi)前的(de)直管(guan)实施的(de),至于喷丸(wan)直管(guan)在后(hou)继焊接和弯(wan)管(guan)后(hou)热(re)处理等加工(gong)过程中喷丸(wan)硬化层的(de)微观组织结构和性(xing)能是(shi)否会(hui)产(chan)生变化尚(shang)未见相关报道(dao)。为此,本文(wen)在实验室(shi)条件(jian)下对内壁已进(jin)行喷丸(wan)处理的(de)国产(chan)S30432和进口Super 304H不(bu)锈钢管进行(xing)(xing)了不(bu)同(tong)温度(du)(du)等(deng)(deng)级的热(re)处理,并对不(bu)同(tong)温度(du)(du)热(re)处理后的喷(pen)丸(wan)形变层(ceng)组织形貌(mao)特(te)征和显微硬度(du)(du)变化规律(lv)进行(xing)(xing)研究,以期为喷(pen)丸(wan)管焊接和变形后热(re)处理等(deng)(deng)提供(gong)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(bu)锈钢管,规格为(wei)d45 mm×8.9 mm2号(hao)管(guan)样为从日(ri)本住友公司进口的喷丸处(chu)理Super 304H钢管(guan),规格(ge)为d48.3 mm×8.5 mm。两根管样的晶粒(li)度均为67:级,力学性能和(he)化学成分分别符合ASME Code Case2328A 213/A 213M - 07标(biao)准。1号管样(yang)喷丸硬化层(ceng)的碎化晶(jing)层(ceng)较_薄,局(ju)部不连续,硬化层厚度(du)和硬度(du)分布不均匀(yun),而2号(hao)管样喷丸硬化(hua)层(ceng)的碎化(hua)晶(jing)层(ceng)较(jiao)厚且均匀(yun),其硬化(hua)层(ceng)的厚度(du)和硬度(du)分布均匀(yun)性(xing)均优于1号(hao)管(guan)样。    

    1号(hao)、2号(hao)管样(yang)(yang)取圆环状样(yang)(yang)品(pin)(pin)进(jin)行(xing)热处理试(shi)验,样(yang)(yang)品(pin)(pin)随(sui)炉(lu)加热,分别在6507507758008509501150℃保温2h,然后出(chu)炉水冷。热处(chu)理后用OPTON高级体(ti)视(shi)显微镜(jing)(jing)(jing)观察分析内壁的(de)宏观形(xing)态,用金(jin)相(xiang)显微镜(jing)(jing)(jing)分析组织特征、测量喷丸形(xing)变层(ceng)的(de)深(shen)度等(deng),用显微硬度计测定维氏硬度,用扫(sao)描(miao)电(dian)镜(jing)(jing)(jing)进行内壁表面背(bei)散射(she)电(dian)子(BEJ)和二次电子(zi)(SEI)图像分析(xi).用EDAX进行成分半定量(liang)分析。

2  内壁(bi)喷丸层的宏(hong)观形貌特(te)征

    各试(shi)样内壁宏观形貌(mao)特征的对比观察结果表1.部分试样内(nei)壁(bi)低倍(bei)组织的典型形貌特征见图1

    从(cong)表1和图1可以看出:(1)随(sui)着热处理温度(du)的升(sheng)高,各管样内壁经过:首(shou)先(xian)形成(cheng)氧(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)色(即氧(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)膜(mo))一氧(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)色加(jia)深一在氧(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)膜(mo)上(shang)生(sheng)成(cheng)零星氧(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)斑痕一氧(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)斑痕增(zeng)大(da)变厚形成(cheng)氧(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)皮(pi)一氧(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)皮(pi)增(zeng)厚一氧(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)皮(pi)增(zeng)厚至(zhi)一定厚度(du)一氧(yang)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)皮(pi)脱落。(2)1号、2号管(guan)样(yang)喷丸层抗短时(shi)间高(gao)温空气氧化(hua)能(neng)力有一(yi)定(ding)差异。1号管样775℃时内壁(bi)约有(you)30%面积形成氧(yang)化皮,850℃时(shi)内壁巳全面形成氧化(hua)皮并且局部(bu)氧化(hua)皮已经(jing)产生零星剥(bo)落,2号直管样(yang)直到850℃时内壁才形成厚氧化(hua)膜或薄氧化(hua)皮,接近950℃时(shi)才全面形(xing)成氧化皮并发生局部剥落。说明本试验中(zhong)国产喷丸管的喷丸层质量不及进口喷丸管。

    另(ling)外(wai),经(jing)对(dui)国产S30432不锈钢管内壁喷(pen)丸管和未丸管(guan)(guan)(内外(wai)壁(bi)经过(guo)酸洗的(de)供货(huo)态管(guan)(guan))进行650℃热处理对比试验发现,未经喷(pen)丸处理的(de)供货态管样内(nei)外壁(bi)均会形(xing)成(cheng)一(yi)定厚度的(de)灰黑色氧化皮,而经喷(pen)丸处理的(de)管样内(nei)壁(bi)仅呈氧化色,未生成(cheng)氧化皮。因此,结合表1的(de)对比结果表明,良好(hao)的(de)表面喷丸硬化处理(li)可使S30432类不(bu)锈钢管(guan)的抗短(duan)时间高(gao)温空气氧化能力提高(gao),提高(gao)幅度约(yue)为150200℃。

3  内壁喷(pen)丸(wan)形变层的微(wei)观(guan)组织形貌特征

  将不同(tong)温度(du)热处理后的管样(yang)制成金相样(yang)品,在ZEISS Imager. Alm研究级显微镜下进行内壁喷(pen)丸(wan)形变层的微观组织形貌特(te)征观察分(fen)析(xi)和厚度测量(liang),其测量(liang)结果见表2,典型(xing)形貌特征见图2。检测结(jie)果发现:(1)在高(gao)温(wen)热处理过程(cheng)中,内(nei)壁(bi)(bi)(bi)喷(pen)丸(wan)层的碎化(hua)(hua)(hua)晶(jing)层会(hui)经(jing)历以下(xia)变化(hua)(hua)(hua)过程(cheng):位错密度(du)降(jiang)低一(yi)胞状结(jie)构形(xing)成一(yi)细小品粒(li)形(xing)成一(yi)晶(jing)粒(li)长大;内(nei)壁(bi)(bi)(bi)喷(pen)丸(wan)层的多滑移(yi)层退化(hua)(hua)(hua)特征是(shi)滑移(yi)带和(he)滑移(yi)系(xi)统(tong)数量(liang)的减(jian)少,品粒(li)大小基(ji)本(ben)不(bu)变。在高(gao)温(wen)热处理过程(cheng)中内(nei)壁(bi)(bi)(bi)喷(pen)丸(wan)层的碎化(hua)(hua)(hua)晶(jing)层退化(hua)(hua)(hua)速度(du)要高(gao)于(yu)多滑移(yi)层。(2)在保温2h条件下,1号管样内壁喷(pen)丸层的碎(sui)化晶(jing)层再结晶(jing)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(wen)度(du)范围约为775800℃。(3)650℃热(re)处(chu)理后,1号、2号(hao)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(re)处理后,1号(hao)、2号管样内壁喷丸形(xing)变(bian)层(ceng)形(xing)态(tai)消失,再结晶(jing)晶(jing)粒存在孪(luan)晶(jing),原多(duo)滑移层(ceng)和单滑移层(ceng)的品粒大(da)小未发生明显变(bian)化。

4喷丸硬(ying)化层的维氏硬(ying)度变化

    本(ben)试验所用硬(ying)度计(ji)型(xing)号(hao)为FM - 700,试验载荷(he)为200 9,各种热处理态检测试样(yang)均采用磨制好的(de)镶嵌(qian)金(jin)相样(yang)品,测量位置(zhi)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(biao)3。从表3可(ke)知:(1)1号(hao)管样经650℃热处理其喷丸硬化层的硬度即(ji)降至企(qi)业标准(zhun)规定值以下,而2号管样经(jing)750℃热(re)处理(li)其丸(wan)硬化层的(de)硬度虽然也(ye)已下降但仍基本满足企业(ye)标准的(de)要求,这表明进口Super 304H喷丸管的(de)短时间(jian)抗高温(wen)软化能(neng)力比(bi)国产S30432喷丸管高100℃以上,其主要原因是2号管样(yang)形变(bian)组织(zhi)硬(ying)度更高且(qie)均(jun)匀。(2)随着热处理温(wen)度升高,管样喷丸(wan)层硬度逐渐下(xia)降。热处理温(wen)度为950℃时原喷丸层位(wei)置的硬度均低(di)于200HV0.2,但仍(reng)高于母(mu)材(cai)硬(ying)度;热(re)处理温(wen)度为1 150℃时(shi)原丸层位置(zhi)的(de)硬度(du)仅(jin)稍(shao)高(gao)于母材(cai)硬度(du)。

5  Cr元素的分(fen)布规(gui)律

EDAX1号、2号金相试样的(de)内壁喷(pen)丸(wan)形变层和母材基体进行能谱分析,其中Cr元(yuan)素含(han)量分布规律如图3所示。从(cong)图3可以看出:(1)650℃和(he)750℃热处理后,1号(hao)、2号(hao)管样内壁喷丸层(ceng)外侧的(de)Cr含量均高于19.00%,而775800850℃热处(chu)理(li)后,1号、2号管样内壁喷九层外侧(ce)的cr含(han)量部分低于19.00%

    如:775℃热处理后1号管样内壁(bi)喷丸层外侧的Cr含(han)量为(wei)18. 53%800℃热处理后2号管样内壁喷丸层外侧(ce)的Cr含量(liang)为18. 61%850℃热处理后Cr含(han)量为18. 92%(2)950℃热处(chu)理后(hou),1号、2号(hao)管样内壁原喷丸层外侧的Cr含量均高于19. 00%(3)1 150℃热处(chu)理后,管样内(nei)壁原喷(pen)丸层外侧的Cr含量均(jun)低(di)于19. 00%。这(zhei)表明:在650750℃温度范围,各(ge)管样(yang)内壁喷(pen)丸层仍保持良好(hao)的向(xiang)外表面输送(song)Cr元(yuan)素的能(neng)力;在775850℃温(wen)度(du)范围(wei),各管样内壁喷九层的形变组织不同程度(du)退化,向(xiang)外表面(mian)输送Cr元素的能力(li)降低(di);在9501  150℃温(wen)度范围,管样材(cai)料的高温(wen)空气氧化(hua)机理发生变化(hua),随着氧化(hua)温(wen)度升高,氧化(hua)速度明显(xian)加快,向(xiang)外(wai)表面输送Cr元素的能力不(bu)及氧(yang)化(hua)消耗的Cr量,造成内壁原喷九(jiu)层外侧(ce)的(de)Cr含量(liang)降低(di)。

6  结  论

    (1)在保温(wen)2h的试(shi)验条件下(xia),当(dang)加热温度超过750℃时丸形变层的微观组织即(ji)发生(sheng)退(tui)化(hua),且碎(sui)化(hua)品层组织退(tui)化(hua)速(su)度比多滑移层组织快,导(dao)致(zhi)Cr元素(su)向表面快(kuai)速扩散迁移的能力(li)降(jiang)低。

    (2)喷(pen)丸处理(li)质量(liang)会显著影(ying)响喷(pen)丸形变层的抗高温软化(hua)能力,进(jin)口Super 304H不锈钢(gang)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(shang)。

    (3)为了充分(fen)发挥喷丸处(chu)理的表面(mian)加(jia)工(gong)硬化作用(yong),首先要确保(bao)喷丸处(chu)理的质量,其次要注意(yi)弯管加(jia)工(gong)或(huo)者焊(han)后进行热处(chu)理时的温度(du)不超过730℃。

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