國產(chǎn)S30432與進(jìn)口Super304H內(nèi)壁噴丸不銹鋼管的噴丸形變層組織與硬度對比研究

  浙江至德鋼業(yè)有限公司通過對比試驗(yàn)研究，系統(tǒng)分析了國產(chǎn)S30432內(nèi)壁噴丸不銹鋼管與進(jìn)口Super304H內(nèi)壁噴丸不銹鋼管在噴丸層表面狀態(tài)、形變組織形貌特征、硬化效果方面的差異。研究結(jié)果表明噴丸應(yīng)變硬化效果主要取決于碎化晶層和多滑移層的發(fā)育程度，尤其是取決于碎化晶層的發(fā)育程度。國產(chǎn)噴丸管子噴丸形變層中破碎化晶層和多滑移層的厚度及其均勻性都比不上進(jìn)口管子，而且其有效硬化層的深度、硬度及其均勻性也比不上進(jìn)口管子，因此，國內(nèi)噴丸處理工藝水平與國外相比尚有一些差距，還有待進(jìn)一步改進(jìn)和提高。

 Super304H是制造超超臨界鍋爐末級過熱器和末級再熱器最佳候選材料之一，因其蠕變持久強(qiáng)度高、抗蒸汽氧化性能好和價格相對低廉而受到廣大用戶的青睞，尤其是內(nèi)表面經(jīng)過噴丸處理的Super304H不銹鋼管子抗蒸汽氧化性能進(jìn)一步提高，為其大規(guī)模使用和開發(fā)提供了良好的商機(jī)。近年來，隨著我國超超臨界機(jī)組的大規(guī)模發(fā)展，需要進(jìn)口的高等級材料管子（如Super304H、HR3C、P92等管材）數(shù)量劇增，越來越長的進(jìn)口供貨周期和越來越高的進(jìn)口價格嚴(yán)重制約我國超超臨界發(fā)電技術(shù)大規(guī)模推廣應(yīng)用。為此，國內(nèi)一些制造加工企業(yè)自2003年以來陸續(xù)開展了國產(chǎn)S30432（類似于國外Super304H）等牌號高等級材料不銹鋼管子的冶煉、軋制、拉拔加工以及熱處理等研制工作，目前在這些管子的生產(chǎn)、加工及熱處理方面都取得了突破性進(jìn)展，如江蘇武進(jìn)、常熟華新、浙江久立、寶鋼股份等單位試制的S30432不銹鋼管已先后通過有關(guān)部門組織的技術(shù)評定，產(chǎn)品質(zhì)量已達(dá)到了國外同類產(chǎn)品的技術(shù)要求，下一步將逐步批量生產(chǎn)并投放市場。為了進(jìn)一步提高18-8系列奧氏體不銹鋼管的抗蒸汽氧化性能，近年來國內(nèi)一些企業(yè)在噴丸處理國產(chǎn)化方面也投入了不少的精力和資金，并在國產(chǎn)內(nèi)壁噴丸處理管子的噴丸形變層組織和硬度變化規(guī)律方面開展了不少的試驗(yàn)研究工作，目前上海一家企業(yè)已經(jīng)成功開發(fā)出了國內(nèi)不銹鋼管噴丸處理生產(chǎn)線并投入批量生產(chǎn)，但有關(guān)國產(chǎn)內(nèi)壁噴丸處理管子和進(jìn)口內(nèi)壁噴丸處理管子在噴丸層質(zhì)量、硬化效果以及抗蒸汽氧化能力等方面是否存在差異卻未見詳細(xì)報道。為了確保超超臨界機(jī)組的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，有必要對國產(chǎn)S30432內(nèi)壁噴丸管和進(jìn)口Super304H內(nèi)壁噴丸管的噴丸形變層組織形貌特征、硬化效果以及抗蒸汽氧化性能指標(biāo)等進(jìn)行深入對比試驗(yàn)研究，以便弄清國產(chǎn)S30432內(nèi)壁噴丸管的噴丸處理質(zhì)量是否達(dá)到了國外同類產(chǎn)品的水平，從而為電廠用戶合理選擇使用國產(chǎn)噴丸管提供技術(shù)依據(jù)，并為國內(nèi)噴丸處理企業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量指出改進(jìn)的方向。

一、試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

 1. 試驗(yàn)材料的來源及其基本情況

  試驗(yàn)所用國產(chǎn)噴丸處理的S30432不銹鋼管子是從遼寧某電廠采購的準(zhǔn)備用于加工制造1000MW超超臨界機(jī)組末級過熱器和末級再熱器管屏的一批管子中隨機(jī)抽取的，該批S30432不銹鋼管子由江蘇某鋼管制造企業(yè)生產(chǎn)，噴丸處理工作由上海某企業(yè)承擔(dān)。進(jìn)口噴丸處理的Super304H不銹鋼管子是從日本住友公司供給浙江某電廠的一批管子中隨機(jī)抽取的。為了簡便起見，在此僅挑選3根典型的管子試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，其中國產(chǎn)噴丸處理的S30432過熱器（規(guī)格φ45mm×8.9mm）和再熱器（規(guī)格φ50.8mm×4.5mm）不銹鋼管材各1根，進(jìn)口噴丸處理的Super304H（規(guī)格φ48.3mm×8.5mm）1根，其編號分別為1號、2號、3號。另外，作為參考還對日本三洋公司噴丸處理的1根TempalloyAA1粗晶管子（規(guī)格φ38.0mm×6.3mm）的噴丸層進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)項(xiàng)目的研究，其管樣編號為4號。噴丸層組織和硬度檢驗(yàn)前先對試驗(yàn)管子基材的化學(xué)成分、金相組織和力學(xué)性能進(jìn)行了檢驗(yàn)，結(jié)果表明各試驗(yàn)管樣的化學(xué)成分、金相組織和力學(xué)性能都符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，其中1號、2號和3號樣品晶粒度6~7級，4號樣品晶粒度4~5級。

 2. 試驗(yàn)方法

  用目視和體視顯微鏡觀察分析管樣內(nèi)壁噴丸的宏觀形態(tài)，用金相顯微鏡對基體金相組織和噴丸形變層組織特征進(jìn)行分析、測量噴丸形變層的深度等，用顯微硬度計進(jìn)行噴丸硬化層和母材的維氏硬度分析，用掃描電鏡進(jìn)行內(nèi)壁表面二次電子像觀察分析和噴丸形變層的背散射電子（backscatteredelectronimaging，BEI）和二次電子（secondaryelectronimage，SEI）圖像觀察分析等。

二、噴丸形變層的組織和硬度檢驗(yàn)結(jié)果及分析

  1. 噴丸形變層表面形貌的目視檢查和低倍觀察

  目視觀察到國產(chǎn)噴丸管子和進(jìn)口噴丸管子內(nèi)表面的顏色差異很大，其中國產(chǎn)1號、2號管樣內(nèi)表面呈均勻的銀灰色金屬光澤，進(jìn)口3號管樣內(nèi)表面呈均勻的棕褐色，進(jìn)口4號管樣內(nèi)表面呈均勻的淺棕褐色，圖1是1號、4號和3號管樣（從左到右）內(nèi)表面的典型宏觀形貌照片。表是采用OXFORDINCA-sight能譜分析儀分析各管樣內(nèi)壁噴丸層表面的15kVX射線能譜成分半定量試驗(yàn)結(jié)果（原子百分比），從表中數(shù)據(jù)可看出，3號管樣噴丸層表面的氧元素原子百分比最高（12.75%），4號管樣噴丸層表面的氧元素原子百分比次高（8.38%），而1號、2號管樣噴丸層表面的氧元素原子百分比最低（4.6%~6.96%），這表明2個進(jìn)口噴丸管樣內(nèi)壁表面存在相對較多的氧化物。初步分析認(rèn)為進(jìn)口管子內(nèi)壁的棕褐色可能是噴丸處理后形成1層極薄的Cr2O3鈍化膜所致，但由于該氧化膜極薄，目前尚無法通過測定氧化膜中的鉻含量來鑒別和驗(yàn)證。

  采用OPTON高級體視顯微鏡對各管樣噴丸形變層內(nèi)表面的低倍形態(tài)進(jìn)行觀察分析后發(fā)現(xiàn)，1號、2號內(nèi)壁噴丸的沖擊凹坑較小，一些凹坑有棱角，周圍擠出形變明顯，內(nèi)表面起伏較大；3號管樣內(nèi)壁噴丸的沖擊凹坑較大，凹坑較圓鈍，而周圍擠出形變不明顯，內(nèi)表面起伏較?。?號管樣的內(nèi)表面低倍形態(tài)處于國產(chǎn)噴丸S30432不銹鋼管樣和進(jìn)口噴丸Super304H不銹鋼管樣之間。1號、4號和3號管樣內(nèi)壁表面的低倍組織形態(tài)分別見圖。

 2. 噴丸形變層表面形貌的掃描電鏡觀察利用

   FeiQuanta400HV型掃描電子顯微鏡對各管樣內(nèi)壁表面進(jìn)行SEI圖像觀察分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)1號、2號管樣內(nèi)楚啖丸層表面形貌里魚鱗片狀，微裂口和微飛邊顯著，層層疊蓋的魚鱗片上還有大量流線，有的流線長而明顯，變形金屬起伏較大，進(jìn)口Tcmpalloy AAI樣品內(nèi)壁啖九層表面魚鱗片疊蓋程度較輕，流線不明顯，微飛邊也比國產(chǎn)管子顯若減少，金屬變形起伏程度也明顯減小，而進(jìn)口Supcr304H內(nèi)壁噴九層表面基本上無魚鱗片疊蓋，內(nèi)壁表頗有流線，但流線短細(xì)密，基本上無微飛邊，金屬變形起伏很小，僅僅在原始內(nèi)壁制造溝槽邊緣出現(xiàn)了明顯的魚鱗片疊蓋形貌，但尺寸較小。

  上述形貌差異說明國產(chǎn)S30432不銹鋼管樣內(nèi)壁噴丸所用的彈丸形狀不規(guī)則，噴九強(qiáng)化處理時噴頭的轉(zhuǎn)速、彈丸的噴射角度、噴丸的速度等差異，降低了彈丸正面撞擊管子內(nèi)壁產(chǎn)生的均勻擠壓變形作用，致使彈丸的有效撞擊覆蓋率降低：而進(jìn)口Super304H管樣內(nèi)壁噴丸所用的彈丸形狀較規(guī)則，噴丸工藝較為完善，彈丸正面掎擊管子內(nèi)壁發(fā)生均勻擠壓變形的作用顯著，有效掩擊覆蓋高。

  3. 噴丸形變層的微觀組織檢驗(yàn)結(jié)果及其分析

  a. 噴丸形變層的微觀組織形貌特征分析

    根據(jù)噴丸形變層微觀組織形貌特征的差異，將噴丸形變層按照由表及里的次序進(jìn)一步細(xì)分碎化晶層、多滑移層和單滑移層3個形變分層，見圖10-12。經(jīng)觀測分析各形變分層的微觀組織形貌特征及其分布規(guī)律如下：

    ①. 碎化晶層

   由碎化的奧氏體納米級晶粒和稍大的碎化晶粒以及動態(tài)再結(jié)晶的晶粒組成，位于噴丸形變層的最表層，其厚度一般在30~40μm之間。該分層中奧氏體晶界消失，也觀察不到滑移帶，金相組織為高度畸變的亞晶，這是由于表層晶粒遭受彈丸多次強(qiáng)烈沖擊反復(fù)變形和嚴(yán)重破碎所致。

    ②. 多滑移層

   由大量的滑移帶和其中的高密度位錯線群、層錯及形變孿晶組成，通常位于碎化晶層下距內(nèi)壁表面40~120μm范圍內(nèi)，處于碎化晶層和單滑移層之間。該分層中奧氏體晶粒內(nèi)發(fā)生多系滑移，而且越接近碎化晶層的部位，奧氏體晶粒內(nèi)發(fā)生滑移的系統(tǒng)越多、滑移帶密度越大、滑移帶彎曲程度越明顯、奧氏體晶粒壓扁并向內(nèi)壁方向轉(zhuǎn)動程度也越明顯。金相組織由奧氏體和α'應(yīng)變誘發(fā)馬氏體組成。

    ③. 單滑移層

   主要由密度相對低的滑移帶和位錯組成，通常分布在內(nèi)表面下100~200μm范圍內(nèi)，緊靠基體金屬組織。該分層中只有部分奧氏體晶粒發(fā)生滑移，且大多呈單系滑移，越接近基體組織發(fā)生單滑移的奧氏體晶粒比例越低。在該分層中奧氏體晶粒仍保持等軸，奧氏體晶粒位向基本未發(fā)生轉(zhuǎn)動。金相組織為奧氏體。

   b. 噴丸形變層中各形變分層的厚度及其均勻性測試分析

   整個管樣的橫截面噴丸形變層的組織厚度有的部位較均勻，有的部位不均勻；在鋼丸沖擊坑周圍塑性變形明顯，尤其在鋼丸沖擊坑中央形變層厚度最深，而在2個鋼丸沖擊坑之間區(qū)域塑性變形相對較?。还軜訃娡栊巫儗娱g各分層的厚度值及其均勻性存在一定的差異。這說明各管樣噴丸形變層的塑性變形程度不同，且同一管樣不同部位的形變程度也存在差異。經(jīng)過對各試樣形變層組織的觀測、統(tǒng)計和對比分析，得到如下規(guī)律：

     ①. 碎化晶層的厚度和均勻性對比

     3號管樣大多數(shù)區(qū)域碎化晶層的厚度在12~30μm之間，表面碎化晶層覆蓋率為100%；1號、2號、4號管樣大多數(shù)區(qū)域碎化晶層的厚度范圍分別為小于2、4~10、2~4μm，表面碎化晶層覆蓋率分別為85%、90%、60%?？梢?，3號管樣的碎化晶層的最大厚度明顯大于1號、2號和4號管樣，且所檢管樣區(qū)域均有碎化晶層，而其他管樣所檢區(qū)域局部出現(xiàn)無碎化晶層現(xiàn)象；另外，3號管樣碎化晶層的厚度均勻程度明顯高于1號、2號和4號管樣的碎化晶層的厚度均勻程度。

     ②. 多滑移層的厚度和均勻性對比

     1號、2號、3號、4號管樣大多數(shù)區(qū)域多滑移層的厚度范圍分別為80~100、小于80、小于100、小于80μm，其所占百分?jǐn)?shù)分別為60%、90%、100%、90%。可見，各管樣的多滑移分層的最大厚度差異不大，但3號管樣的多滑移分層的厚度均勻程度明顯高于1號、2號和4號管樣的多滑移分層的厚度均勻程度。

     ③. 單滑移層的厚度和均勻性對比

     1~4號管樣的單滑移分層的發(fā)育程度按以下循序增大：4號管樣→1號管樣和3號管樣→2號管樣。由于在該分層只有部分晶粒發(fā)生滑移，各管樣的單滑移分層的厚度和均勻程度均明顯低于多滑移分層的厚度和均勻程度，且單滑移分層的發(fā)育程度較低。

    噴丸處理使表層晶粒碎化并在亞表層晶粒內(nèi)產(chǎn)生了大量的位錯、滑移帶等缺陷，這些碎化晶界、亞晶界、大量位錯和滑移帶等大大增加了鉻元素向表面擴(kuò)散的便捷通道，從而加快鉻元素的擴(kuò)散速度，促進(jìn)了金屬表面致密Cr2O3保護(hù)膜生成。因此，噴丸應(yīng)變硬化效果主要取決于碎化晶層和多滑移層的發(fā)育程度，尤其是取決于碎化晶層的發(fā)育程度。綜上分析可見，國產(chǎn)S30432不銹鋼管噴丸層形變組織尚不及進(jìn)口Super304H不銹鋼管噴丸層形變組織好。

   4. 噴丸形變層的維氏硬度測試

   查閱國內(nèi)某企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)得到S30432不銹鋼管內(nèi)壁噴丸層的硬度指標(biāo)要求如下：離鋼管內(nèi)壁60μm深度處沿橫截面時鐘3、6、9和12四點(diǎn)的硬度平均值不小于280HV0.5，并且與母材基體的硬度相比較，其硬度差不小于100HV0.5；從管樣內(nèi)表面測至比基體維氏硬度值高50HV處的距離即為噴丸硬化層的層深。本試驗(yàn)采用硬度計的型號FM-700，載荷為1.96N，加載時間14秒，參照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的測試方法和要求對各測管樣品進(jìn)行了維氏硬度測試分析。

   a. 噴丸硬化層的硬度及其均勻性測

   試將各試驗(yàn)不銹鋼管樣橫向截斷制成環(huán)狀金相樣品，然后在距管子內(nèi)表面60μm深度處測試其噴丸硬化層的維氏硬度，每個管樣測4點(diǎn)（沿圓周方向每隔90°測1點(diǎn)），對于硬度異常的測點(diǎn)再在該測點(diǎn)附近40μm深度處進(jìn)行測量。同時在每個硬化層測點(diǎn)對應(yīng)的管壁厚度中央部位測試母材的硬度值，以便分析硬化程度。各樣品的噴丸硬化層和母材的維氏硬度測量結(jié)果見圖。

  從圖的數(shù)據(jù)可看出：

   ①.  管樣的噴丸硬化層硬度對比

    1號管樣2個管樣中1個管樣的噴丸硬化層硬度合格，為284HV0.2；另一個管樣的噴丸硬化層硬度不合格，僅為267HV0.2，而且距鋼管內(nèi)壁40μm深度處的1個測點(diǎn)硬度平均值也僅為270HV0.2；2號、3號管樣各2個管樣，噴丸硬化層硬度均合格；4號管樣1個管樣，噴丸硬化層硬度不合格，僅為255HV0.2；離鋼管內(nèi)壁40μm處沿橫截面時鐘3、6、9和12四點(diǎn)的硬度平均值為259HV0.2，仍然小于規(guī)定值，這主要是由于該管子的材質(zhì)不同（該管材為粗晶TempalloyAA1，其母材硬度值本身就很低，平均硬度僅為134HV0.2），不能完全照搬S30432的噴丸技術(shù)條件來檢驗(yàn)其硬度指標(biāo)?？傮w來看，進(jìn)口Super304H噴丸管的噴丸硬化層硬度值高于國產(chǎn)S30432噴丸管的噴丸硬化層硬度值。

   ②. 管樣噴丸硬化層和母材硬度差值對比

    4個管樣的噴丸硬化層和母材基體硬度差值均符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，但4種不銹鋼管樣的噴丸硬化層和母材硬度差值按以下循序增大：1號管樣→2號管樣→4號管樣→3號管樣，可見進(jìn)口噴丸不銹鋼管噴丸硬化層與其母材間的硬度差值高于國產(chǎn)噴丸不銹鋼管噴丸硬化層與其母材間的硬度差值。

  ③. 4類管樣噴丸硬化層4位置硬度均勻性對比

     各管樣噴丸硬化層4個測點(diǎn)位置的實(shí)測最大硬度值和最小硬度值匯總于表。

  從表可以看出，進(jìn)口鍋爐管噴丸硬化層橫截面硬度比國產(chǎn)鍋爐管噴丸硬化層橫截面硬度均勻性好。如果隨機(jī)抽取噴丸處理管樣對其硬化層4個測點(diǎn)位置進(jìn)行硬度檢驗(yàn)，對于國產(chǎn)S30432噴丸管來說，由于其噴丸硬化層的厚度和硬度都很不均勻而有可能出現(xiàn)檢驗(yàn)結(jié)果合格的情況，也有可能出現(xiàn)不合格的情況。

  b. 噴丸硬化層的硬度-深度變化趨勢測試

   為了進(jìn)一步了解硬度隨噴丸硬化層深度的變化規(guī)律，采用每隔30μm測量1點(diǎn)維氏顯微硬度的方法測試了不同深度處的噴丸形變層硬度，測試儀器型號為FM-700型，試驗(yàn)載荷1.96N，加載時間14秒。測得各試樣硬化層厚度均勻處的硬度-深度關(guān)系曲線如圖所示。

   從圖可以看出，國產(chǎn)噴丸不銹鋼管和進(jìn)口噴丸不銹鋼管的噴丸硬化層硬度變化規(guī)律都很相似，隨著測點(diǎn)位置距管子內(nèi)表面距離的增大，維氏顯微硬度200μm范圍內(nèi)呈現(xiàn)快速下降的特點(diǎn)，大約在200μm深度處趨于接近母材硬度值。對比同一深度處的硬度測試結(jié)果可以看出，在有效硬化區(qū)內(nèi)3號試樣的硬度值始終遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于1號和4號試樣，且在距離管子內(nèi)表面90μm的深度范圍內(nèi)，3個樣品的噴丸硬化效果按照4號樣品→1號樣品→3號樣品的順序依次增大，這進(jìn)一步說明進(jìn)口Super304H噴丸層的硬度值高于國產(chǎn)S30432噴丸層的硬度值。

三、結(jié)論

   1. 國產(chǎn)不銹鋼管內(nèi)表面呈光亮金屬色，低倍形貌比較粗糙，噴丸坑小而尖銳，坑邊擠出金屬明顯翻邊或隆起；而進(jìn)口管子內(nèi)表面呈淺棕氧化色，低倍形貌比較光滑，噴丸坑較大且圓鈍，坑邊擠出金屬變形較小。

   2. 噴丸應(yīng)變硬化效果主要取決于碎化晶層和多滑移層的發(fā)育程度，尤其是取決于碎化晶層的發(fā)育程度。在噴丸硬化層中存在連續(xù)、有一定厚度的碎化晶層，是保證噴丸硬化層質(zhì)量的關(guān)鍵。國產(chǎn)S30432噴丸管形變層的碎化晶層和多滑移層厚度及其均勻性都比不上進(jìn)口的Super304H噴丸不銹鋼管。

   3. 國產(chǎn)S30432噴丸不銹鋼管形變層的有效硬化層深度、硬度及其均勻性都不及進(jìn)口噴丸處理的Super304H不銹鋼管好。

   4. 關(guān)于國產(chǎn)噴丸不銹鋼管和進(jìn)口噴丸不銹鋼管的抗蒸汽氧化性能對比試驗(yàn)?zāi)壳罢谶M(jìn)行中，有關(guān)其內(nèi)表面顏色的差異成因也有待進(jìn)一步研究。從目前的初步對比結(jié)果來看，國產(chǎn)噴丸管子的噴丸質(zhì)量與進(jìn)口的同類產(chǎn)品相比尚有一定的差距，還需要在噴丸處理工藝技術(shù)方面進(jìn)一步改進(jìn)和提高。