第1章 绪论
1.1 引言
自从改革开放以来，中国经济持续高速发展，对能源的需求也越来越多。在中国的一次能源消费结构中，煤炭占据绝对的主体地位。2005年全国发电总量为2474亿度电，其中火电为2047亿度，约占了83%[1]，因此尽管新型能源如风能、核能、太阳能发展较快，但火力发电占据优势的情况在今后很长一段时期内将不会改变，而火力发电产生的温室气体排放，对环境造成了很大的压力。近年来由于温室效应的影响，全球变暖，气候反常愈演愈烈，对人类未来的发展己造成了严重影响，世界对温室气体排放的关注前所未有。由于中国人口基数大，导致总的排放量也很大。因此，国际社会要求中国减排的压力也越来越大。我国面对如此紧迫的形势，不得不优化能源结构，推进能源领域的技术创新。 一方面是对火电的迫切需求，一方面是环境的压力，解决这个两难问题最有效的办法之一是发展洁净煤发电技术，将超超临界发电与烟气污染控制技术结合起来，这是国际上和国内燃煤火电机组发展的主导方向，是未来30年洁净煤发电的主流技术，预计未来15年之内超临界和超超临界机组在国内新增火电市场的份额将达到70%以上[2-3]。 超超临界机组在燃煤发电技术中有很长的发展历史，技术继承性较强，现在已经大容量和规模化商业运行，目前正朝着更高参数、更高效率的方向发展。超超临界机组在设计和制造技术上难度都很高，其中低成本、易加工、强韧性高材料的开发是关键问题，耐热钢是决定其未来发展的关键因素。随着火电机组继续向高参数、大容量发展，超超临界机组用耐热钢的研究与开发朝高性能、低成本方向发展。目前，世界上高蒸汽参数发电机组广泛采用综合性能优良的高铬铁素体系耐热钢9-12%Cr铁素体耐热钢[4-9]。
随着研究的深入及使用经验的积累，新一代的更高等级钢种也在持续开发进行中。当今国际上对铁素体耐热钢的研究热点主要是钨和钴的合金化，通过添加钨元素提高材料的蠕变强度，添加钴元素降低自扩散，稳定碳化物。但目前为止在此方面还没有成熟的钢种投入应用应用，国内的研究者应把握住这个难得的机会进行深入研究，为我国电力行业及新材料产业的发展作出自己的贡献。
1.2 高铬铁素体耐热钢的发展历程
超超临界机组的发展，很大程度上取决于耐热钢的进步。耐热钢主要分为铁素体钢和奥氏体钢两大类，铁素体钢又包括珠光体、贝氏体和马氏体及其双相钢。高铬耐热钢最初是
直接采用从各种铁素体耐热钢相继被开发出来。由于奥氏体耐热钢部件在机组运行期间暴露出很多问题。使各国把目光又投向了取代奥氏体耐热钢的高性能铁素体耐热钢的研究。
自20世纪80年代以来，美国、日本、欧洲等在开发先进耐热钢方面进行了大量的研究，先后推出了EPRI、EPDC、COST501研究计划，开发出了P9l/T91、P92/T92、E911弹性pvc和T122等一系列新型耐热钢，已纳入了使用标准并成功的应用于超超临界机组[10]。目前，先进铁素体/马氏体耐热钢使用温度己达到600-610℃这一范围。
而我国超超临界机组用耐热钢的研制与国外相比还存在很大差距。据统计，目前发电设备用钢的30%喷淋除尘器仍需要从国外进口，国内耐热钢研发和生产还无法满足发展超超临界机组的需求，其水平远远滞后于电力工业的发展速度[3]。目前要完全自主，不依靠国外的力量开发先进电站用耐热钢还有较大困难，因此从国际市场引进超超临界机组耐热钢是我国实现赶超的现实途径，但为了保证机组安全运行和维护的需要，逐步提高设备部件的国产化水平，不受制于人，所以我国需要开展耐热钢的各种组织和性能等方面的试验和研究，借鉴日本发展大容量火电机组的成功经验，引进、消化和吸收材料研发的先进技术，使我国的超超临界火电技术向着高参数、高效率的方向稳步前进。
1.3 铁素体系耐热钢中合金元素作用及将来发展方向
铁素体系耐热钢中主要合金元素有Cr、Mo、W、Co、v、Nb、高温瞬时灭菌Ni、B等，各合金元素对耐热钢的作用见表1.1。耐热钢依合金元素添加的情况主要分为四个阶段，发展过程见图1.1。
耐热钢研究早期，主要是添加Mo和Nb，车联网天线
Mo能起到改善回火稳定性、增强二次硬化效应和在晶界偏聚提高晶界结合力的作用，从而在钢的强度增加的同时，韧性不降低。而Nb与C形成NbC，形成第二相强化。随后耐热钢得到了大规模的研究与应用阶段，这一阶段主要是C、N、V元素的优化;现在所用的耐热钢主要是以W取代部分Mo，提高材料的蠕变强度，并加入B强化晶界，并制备出大批综合性能良好的耐热钢。将来耐热钢发展的方向主要是进一步增加W含量，添加CO含量。CO的作用机制和影响将是耐热钢下一阶段进行研究的热点。Co能有效地提高耐热钢的强化作用，抑制铁素体形成，而且CO是己知唯一提高钢的居里温度的元素，高的居里温度有利于钢保持其自身的铁磁性，从而保持钢的扩散能垒，降低钢中溶质的扩散能力，稳定碳化物[10]。CO元素的作用是目前耐热钢研究的热点之一。
图1.1 高铬铁素体耐热钢不同历史阶段添加的合金元素
表1.1 高铬铁素体耐热钢各种元素的作用
1.4 铁素体系耐热钢的强化机制
晶粒细化在低温下能有效的提高材料的强度，但在高温条件下晶界成为薄弱环节，对高温强度的提高反而有害，所以晶粒细化并不是耐热钢的强化机制。高铬铁素体耐热钢的强化机制主要有以下三种:W、Mo、Co的固溶强化;M23C6型碳化物、MX碳氮化物和Laves相的析出强化;马氏体板条和亚晶晶界的晶界强化。
1.4.1 固溶强化
高铬铁素体耐热钢的固溶强化元素主要有Cr、Mn、W、Mo、C、N和CO。其中Co、Cr乘波体、Mn置换Fe原子引起晶格畸变造成固溶强化，而C、N、B板端连接器等原子半径较小的间隙原子与置换原子之间相互作用，引起间隙固溶强化。W、Mo形成Laves相还会导致固溶强化作用的降低。
1.4.2 析出强化
高铬铁素体耐热钢的热处理工艺通常为淬火加高温回火，典型的组织结构特征为板条马氏体上弥散分布着细小的析出相。析出相主要有M23C6型碳化物和MX相两种。M23C6通常沿板条界和晶界析出，稳定晶界。MX相粒子主要分布于板条内部针扎位错，阻碍位错滑
移，降低基体的回复速率，且粒子尺寸细小，不易长大，分布均匀，能长期发挥强化作用，是高温强度的有益相。蠕变过程中形成的Laves相尺寸较小时有一定的强化作用，但其长大速度很快，当尺寸达到一定范围时将失去强化效果。
析出强化是耐热钢长期保持稳定的高温强度的重要原因，而析出强化与第二相粒子的稳定密切相关。
1.4.3 亚晶界强化
高铬铁素体耐热钢经淬火回火后，位错的团聚形成位错墙，进而转变成亚晶界。而位错在亚晶粒内形成后无法通过亚晶界到达其他亚晶粒，从而相互纠结，使位错密度大为增加，有效地提高了长期蠕变过程中的稳定性。材料在等强温度以上晶界强度低于晶内强度。增强晶界强化作用的主要途径有减少晶界、净化晶界、在晶界析出强化相等，但与亚晶界强化相比，强化效果要差。
