超超临界铁素体钢中杂质晶界偏聚及其对材料蠕变性能的影响

超超临界电站的建设主要依赖于超超临界铁素体耐热钢的发展。钢的高温蠕变性能对其服役性能起着决定性作用。目前，在超超临界铁素体钢蠕变性能的研究中，主要集中在沉淀强化相的演化对蠕变性能退化的影响，而杂质元素晶界偏聚及其对蠕变性能退化的影响还知之甚少，几乎空白。本项目以添加和未添加微量杂质元素P、S和Sn的两种典型超超临界铁素体耐热钢T/P92和T/P122为研究对象，进行高温蠕变性能测试、蠕变过程中的微观结构和微观化学分析，探讨蠕变过程中杂质晶界偏聚的行为和规律；通过比较掺杂和未掺杂材料的蠕变性能分析杂质晶界偏聚对材料蠕变性能的影响；通过比较掺杂和未掺杂材料蠕变过程中微观结构和微观化学的演化，分析杂质晶界偏聚导致材料蠕变性能变化的微观机制。根据晶界偏聚行为及规律，建立蠕变过程中的偏聚动力学理论模型，对不同蠕变条件下的晶界偏聚进行理论预测，进而预测不同服役条件下杂质晶界偏聚对材料蠕变性能的影响。

本项目系统地研究了杂质元素在超超临界铁素体钢中的晶界偏聚行为。在大量不同的服役条件下，对添加与不添加微量杂质元素的典型超超临界铁素体钢P91钢及P92钢进行了蠕变性能测试，建立了他们的蠕变本构方程以及“Monkman–Grant”关系式。在此基础上，系统分析了钢在873K到923K的蠕变性能及杂质元素对其蠕变性能影响。采用带场发射枪的扫描透射显微镜（FEG-STEM）来测量并分析了杂质元素的晶界偏聚规律。掺杂质量分数0.058%的Sn元素加速了P91钢的稳态蠕变速率，Sn原子在马氏体亚晶界偏聚量达0.31at.%，导致蠕变过程中大量孔洞的形成，缩短蠕变寿命。杂质元素Sn使P91钢在873K，100MPa下的蠕变寿命从104094h降低到39119h，杂质元素对P91钢析出相的演化没有明显影响。对P92钢的蠕变性能研究发现，添加杂质元素Sn的P92钢在蠕变过程中形成了更多有害的Laves相。杂质元素Sn使P92钢在923K，100MPa下的蠕变寿命从33190h降低到7708h。对P91钢的热塑性研究分析发现，掺Sn钢热塑性远低于纯钢， Sn元素推迟了先共析铁素体的出现，使热塑性槽变宽，并且由于Sn元素的非平衡晶界偏聚，热塑性曲线在奥氏体单相区出现第二个塑性低谷；P91钢在1000oC下发生再结晶，热塑性大幅度提高。这些成果对于指导工程实践均有重大意义。