铌含量对S31042耐热钢析出相及持久性能的影响

S31042耐热钢广泛应用于超超临界火电机组的过热器和再热器管，在高温高压下服役。在之前的研究中发现，Z相（NbCrN）和MX相（Nb（C、N））随时效温度和时间的变化较小，一直保持较为细小的颗粒状，起到了很好的沉淀强化作用，有效提高了钢的持久强度。而铌元素是Z相和MX相最重要的合金元素，本工作通过对不同铌含量的试验钢高温长时时效处理及持久试验，研究了铌含量对其析出相种类和数量以及持久强度的影响，并确定最佳铌含量。

共冶炼了3炉铌含量分别为下限（0.2%）、中限（0.4%）和上限（0.6%）的试验钢，化学成分见表1。试验钢采用25kg真空感应炉冶炼，浇铸后锻成Φ15mm棒材，然后进行1250℃×30min固溶处理，根据S31042钢在超超临界锅炉中的使用温度，持久试验温度设定为700℃。同时对固溶处理完的试样进行长时时效处理，温度为700℃，时间分别为10、100、1000、3000、10000h。对固溶态及时效处理后的试样进行金相组织观察，对部分试样进行物理化学相分析，确定钢中析出相的种类和数量。

表1 试验钢的化学成分（质量分数，%）

试验结果表明：

（1）经固溶处理后，S31042钢中存在未固溶的一次析出相Z相和Nb（C、N）相，且随铌含量的增加，Z相和Nb（C、N）相含量明显增多，尺寸较大。

  （2）S31042钢700℃时效过程中的主要析出相为M23C6相、Z相和MX相，时效10000h后发现存在σ相。

  （3）铌含量对时效态S31042钢中析出相的种类没有明显影响；随铌含量的升高，钢中M23C6相数量变化不大，Z+MX相的数量显著增加。

（4）S31042钢中最佳铌含量为0.40%，中限的铌含量既可以提供足够多的第二相保持较高的持久强度，又可以避免大尺寸含铌相颗粒对钢持久性能的不利影响。