CN103045830B - 一种提高高铬奥氏体钢抗高温蒸汽氧化的表面喷丸工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高高铬奥氏体钢抗高温蒸汽氧化的表面喷丸工艺，采用机械离心式喷丸设备进行喷丸，弹丸材质采用陶瓷弹丸，弹丸显微硬度为660HV~750HV，弹丸直径为0.25~0.75mm，喷嘴到试样表面的距离为150~190mm，喷丸流量为1.0~2.5kg/min，喷丸时间为2~4min，喷射角度θ=40°~65°。采用本工艺发明，能够使高铬奥氏体钢获得0.25A~0.35A的喷丸强度以及200%的表面覆盖率，同时，该工艺发明能够有效提高高铬奥氏体不锈钢在高温蒸汽中的抗氧化腐蚀能力，极大推动了超临界及超超临界机组高温蒸汽氧化防护方法的发展。

Description

一种提高高铬奥氏体钢抗高温蒸汽氧化的表面喷丸工艺

技术领域

本发明涉及喷丸工艺领域，尤其涉及一种提高高铬奥氏体钢抗高温蒸汽氧化的表面喷丸工艺。

背景技术

在火力发电领域，随着人们对节约能源和环境保护的日益重视，人们不断提高机组的蒸汽参数以提高机组效率、降低单位发电量的污染物排放。随着超（超）临界发电技术的发展，在实际应用中，超（超）临界机组的主蒸汽压力已经可以达到31MPa，主蒸汽温度达到610℃。但是温度和压力的提高在带来更高的系统效率的同时，也使得锅炉高温部件失效问题更加突出，尤其是由于过热器和再热器的管内高温蒸汽氧化而导致的爆管失效。由高温蒸汽氧化形成的氧化皮达到一定厚度，就会发生剥落。剥落的氧化皮在管道下弯头处形成堆积，阻碍高温蒸汽的流动，不仅会导致过热器、再热器管壁由于传热系数减少而温度升高，甚至超温爆管，还会导致汽轮机发生固体颗粒侵蚀(Solid Particle Erode，SPE)、主汽门卡涩以及水汽品质下降等一系列问题，大大缩短了锅炉过热器、再热器管的使用寿命，严重影响了机组的安全运行。

因此，为了预防超（超）临界锅炉过、再热器管高温蒸汽氧化爆管事故的发生，保证超（超）临界机组的安全稳定运行，迫切需要可以有效提高超临界火电机组过热器、再热器所使用的耐热钢，特别是高铬奥氏体钢的抗高温蒸汽氧化性能的工艺与方法。

为了降低高温蒸汽氧化带来的各种问题，人们提出了各种技术措施来降低钢的氧化速率，例如，（1）提高材料中Cr、Si、Al等合金元素含量；（2）对材料表面进行镀Cr处理；（3）进行铬酸盐处理以及通过特殊热加工工艺以获得较细晶粒度的组织等。

这些方法在一定程度都能提高材料的抗蒸汽氧化性能，但仍然存在若干问题。方法（1）对于低Cr奥氏钢有一定的效果，但是对于高Cr奥氏体而言，提高Cr等元素的含量对提高抗蒸汽氧化效果并不十分明显，同时带来材料成本大幅上升以及焊接性能下降等问题。方法（2）形成的镀Cr层在机组启停的热循环工况下，容易发生开裂剥落，从而使基体钢直接暴露在蒸汽环境中，加速了氧化过程的进行。方法（3）可以通过冷加工或固溶处理等方法获得细晶粒组织，从而提高抗蒸汽氧化能力，但是该方法的适用范围有限，难以获得均匀的晶粒组织，不利于均匀提高材料的抗蒸汽氧化性能。

发明内容

本发明的目的是克服现有防护技术的问题，提供一种提高高铬奥氏体钢抗高温蒸汽氧化的表面喷丸工艺，利用本发明工艺，能够有效提高高铬奥氏体不锈钢在高温蒸汽中的抗氧化腐蚀能力，极大推动了超临界及超超临界机组高温蒸汽氧化防护方法的发展。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种提高高铬奥氏体钢抗高温蒸汽氧化的表面喷丸工艺，采用机械离心式喷丸设备进行喷，弹丸材质采用陶瓷弹丸，弹丸显微硬度为660HV~750HV，弹丸直径为0.25~0.75mm，喷嘴到试样表面的距离为150~190mm，喷丸流量为1.0~2.5kg/min，喷丸时间为2~4min，喷射角度θ=40°~65°。

本发明进一步的改进在于：机械离心式喷丸设备具有弹丸尺寸筛选和破碎弹丸装置，及抽风除尘装置。

本发明进一步的改进在于：所述机械离心式喷丸设备的离心轮转速为2500~4500r/min。

本发明进一步的改进在于：陶瓷弹丸的主要组织为ZrO₂晶相与SiO₂非晶相，ZrO₂晶相质量百分含量为60%~70%，SiO₂非晶相质量百分含量为28%~33%，余量Al₂O₃质量百分含量为0~10%。

本发明进一步的改进在于：所述陶瓷弹丸显微硬度为700HV，直径为0.6mm，喷嘴到试样表面的距离为150mm，喷丸流量为1.8kg/min，喷丸时间为3min，离心喷丸机转速为3500r/min，喷射角度θ=50°。

本发明进一步的改进在于：所述试样的材质为高铬奥氏体钢；所述高铬奥氏体刚的铬的质量百分含量大于或等于15%。

本发明进一步的改进在于：所述高铬奥氏体钢为Super304H。

本发明进一步的改进在于：喷丸强度为0.25~0.35A，表面覆盖率为200%。

本发明进一步的改进在于：经过喷丸工艺处理的试样表面层的亚晶粒发生了碎化，经喷丸强化的亚晶粒细度小于0.02μm。

本发明进一步的改进在于：经过喷丸工艺处理的试样表面层形成一层致密的Cr₂O₃薄膜。

整个喷丸工艺流程如下所述：在喷丸开始前，首先对弹丸进行检查，以符合图样参数规定；将检查后的弹丸装入机械离心式喷丸设备中，按图样规定的要求，设定机械式离心喷丸设备离心轮转速、弹丸流量等喷丸工艺参数；对模拟试样进行试喷丸；检测试喷丸试样的喷丸强度及表面覆盖率等是否符合图样要求，如果不符合，则需要对相关参数进行调整优化；对高铬奥氏体钢试样进行喷丸处理；最后对喷丸后的试样进行表面清理。

相对于现有技术，本发明具有以下优点：离心喷丸设备以极高的速度将陶瓷弹丸喷射在金属表面，金属表面层发生极为强烈的塑性形变，使工件表面产生一定厚度的冷作硬化层，可显著提高合金表面的位错密度。经该喷丸工艺处理还使表面层的亚晶粒发生了碎化，经喷丸强化的亚晶粒细度小于0.02μm，较细的晶粒有利于在合金表面形成氧化物的成核核心，提高合金的抗高温氧化性能。

采用本工艺发明，能够使高铬奥氏体钢获得0.25A~0.35A的喷丸强度以及200%的表面覆盖率，同时，该工艺发明能够有效提高高铬奥氏体不锈钢在高温蒸汽中的抗氧化腐蚀能力，极大推动了超临界及超超临界机组高温蒸汽防护方法的发展。

经过喷丸处理后，奥氏体钢管内壁近表面产生碎化的奥氏体晶粒、动态再结晶晶粒、大量的滑移带。由于表面晶粒的碎化作用和缺陷密度的增加，在加热过程中，喷丸引起的塑性变形组织发生回复，溶质原子与高密度位错发生交互作用形成溶质原子气团，与位错一同向晶界迁移，并形成新的小角度晶界或亚晶界，为Cr提供了大量的短路扩散通道和扩散驱动力。在氧化过程中，这些通道为Cr原子提供了向氧化物/介质界面扩散的途径，也在晶界处截流了氧原子，使Cr的氧化物相对含量得以提高。另外，表面的晶格畸变，也使得合金元素Cr具有向位错线等高能区域偏聚或向晶界析出的趋势，降低了氧化物中的Fe的相对含量，使得向氧化物/金属界面迁移的Cr量相对减少。喷丸钢管内壁表面形成的致密Cr₂O₃薄膜，将金属与腐蚀环境隔开，阻碍了氧化的进一步进行。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明中涉及到的提高高铬奥氏体钢抗高温蒸汽氧化的表面喷丸工艺作进一步详细说明。

图1是提高高铬奥氏体钢抗高温蒸汽氧化的表面喷丸工艺流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。

实施例1：

请参阅图1所示，本发明一种提高高铬奥氏体钢抗高温蒸汽氧化的表面喷丸工艺为：

（1）采用机械离心式喷丸设备，该设备具有弹丸尺寸筛选和破碎弹丸装置，及抽风除尘装置。

（2）采用陶瓷弹丸作为喷丸材料，其显微硬度为700HV，直径为0.6mm。

（3）喷丸进行时，喷嘴到试样表面的距离为150mm，喷丸流量为1.8kg/min，喷丸时间为3min，喷射角度θ=50°。

（4）离心喷丸机转速为3500r/min。

上述陶瓷弹丸的主要组织为密集的ZrO₂晶相与SiO₂非晶相，ZrO₂晶相质量百分含量为60%~70%，SiO₂非晶相质量百分含量为28%~33%，余量Al₂O₃质量百分含量为0~10%。

在喷丸开始前，首先对弹丸进行检查，以符合图样参数规定；将检查后的弹丸装入机械离心式喷丸设备中，按图样规定的要求，设定机械式离心喷丸设备离心轮转速、弹丸流量等喷丸工艺参数；对模拟试样进行试喷丸；检测试喷丸试样的喷丸强度及表面覆盖率等是否符合图样要求，如果不符合，则需要对相关参数进行调整优化；对高铬奥氏体钢试样进行喷丸处理；最后对喷丸后的试样进行表面清理。

待喷丸高铬奥氏体钢为Super304H，其化学组成如表1所示。将Super304H试样放入到机械离心式喷丸设备中，调整机械式离心喷丸设备离心轮转速以及弹丸流量，并进行喷丸，在设定的工艺条件下，使高铬奥氏体钢获得0.30A的喷丸强度以及200%的表面覆盖率。

表1Super304H钢的主要化学的成分

将经过喷丸处理的试样与未处理的试样进行对比实验，实验条件为：600℃，压力为25MPa，氧化时间为50h。实验结束后，对经喷丸处理与未喷丸的试样表层氧化膜中的Cr元素含量进行检测，并计算出Cr的相对含量。实验结果如表2所示。

表2喷丸与未喷丸试样氧化膜中Cr元素的相对含量

从表2可以看出，喷丸对Super304H试样氧化膜中的Cr元素的相对含量有提高作用，Super304H喷丸试样氧化膜中Cr元素相对含量比未喷丸试样高2.65%。

经喷丸处理的Super304H试样，在其表面产生一定厚度的冷作硬化层，可显著提高试样表面的位错密度，同时还使表面层的亚晶粒发生了碎化，从而形成大量的奥氏体晶粒、动态再结晶晶粒以及大量滑移带。在氧化过程中，在Super304H试样喷丸侧，Cr元素沿着奥氏体原始晶界和碎化晶粒边界、滑移带中的位错等向表面扩散，也在晶界处截流了氧原子，使Cr的氧化物相对含量得以提，表面的晶格畸变，也使得合金元素Cr具有向位错线等高能区域偏聚或向晶界析出的趋势，降低了氧化物中的Fe的相对含量，使得向氧化物/金属界面迁移的Cr量相对减少。喷丸钢管内壁表面形成的致密Cr₂O₃薄膜，将金属与腐蚀环境隔开，阻碍了氧化的进一步进行。

实施例2：

本发明一种提高高铬奥氏体钢抗高温蒸汽氧化的表面喷丸工艺为：

（1）采用机械离心式喷丸设备，该设备具有弹丸尺寸筛选和破碎弹丸装置，及抽风除尘装置。

（2）采用陶瓷弹丸作为喷丸材料，其显微硬度为660HV，直径为0.75mm。

（3）喷丸进行时，喷嘴到试样表面的距离为170mm，喷丸流量为2.5kg/min，喷丸时间为2min，喷射角度θ=40°。

（4）离心喷丸机转速为4500r/min。

上述陶瓷弹丸的主要组织为密集的ZrO₂晶相与SiO₂非晶相，ZrO₂晶相质量百分含量为60%~70%，SiO₂非晶相质量百分含量为28%~33%，余量Al₂O₃质量百分含量为0~10%。

待喷丸高铬奥氏体钢为Super304H，喷丸后进行与实施例1相同的对比实验；经检测，喷丸对Super304H试样氧化膜中的Cr元素的相对含量有提高作用，Super304H喷丸试样氧化膜中Cr元素相对含量比未喷丸试样高2.41%。

实施例3：

本发明一种提高高铬奥氏体钢抗高温蒸汽氧化的表面喷丸工艺为：

（1）采用机械离心式喷丸设备，该设备具有弹丸尺寸筛选和破碎弹丸装置，及抽风除尘装置。

（2）采用陶瓷弹丸作为喷丸材料，其显微硬度为750HV，直径为0.25mm。

（3）喷丸进行时，喷嘴到试样表面的距离为190mm，喷丸流量为1.0kg/min，喷丸时间为4min，喷射角度θ=65°。

（4）离心喷丸机转速为2500r/min。

上述陶瓷弹丸的主要组织为密集的ZrO₂晶相与SiO₂非晶相，ZrO₂晶相质量百分含量为60%~70%，SiO₂非晶相质量百分含量为28%~33%，余量Al₂O₃质量百分含量为0~10%。

待喷丸高铬奥氏体钢为Super304H，喷丸后进行与实施例1相同的对比实验；经检测，喷丸对Super304H试样氧化膜中的Cr元素的相对含量有提高作用，Super304H喷丸试样氧化膜中Cr元素相对含量比未喷丸试样高2.52%。

Claims (1)

1.一种提高高铬奥氏体钢抗高温蒸汽氧化的表面喷丸工艺，其特征在于，采用机械离心式喷丸设备进行喷，弹丸材质采用陶瓷弹丸，弹丸显微硬度为660HV～750HV，弹丸直径为0.25～0.75mm，喷嘴到试样表面的距离为150～190mm，喷丸流量为1.0～2.5kg/min，喷丸时间为2～4min，喷射角度θ＝40°～65°；

陶瓷弹丸的主要组织为ZrO₂晶相与SiO₂非晶相，ZrO₂晶相质量百分含量为60％～70％，SiO₂非晶相质量百分含量为28％～33％，余量Al₂O₃质量百分含量为0～10％；

所述试样的材质为高铬奥氏体钢；所述高铬奥氏体钢的铬的质量百分含量大于或等于15％；

经过喷丸工艺处理的试样表面层的亚晶粒发生了碎化，经喷丸强化的亚晶粒细度小于0.02μm；

机械离心式喷丸设备具有弹丸尺寸筛选和破碎弹丸装置，及抽风除尘装置；

所述机械离心式喷丸设备的离心轮转速为2500～4500r/min；

所述陶瓷弹丸显微硬度为700HV，直径为0.6mm，喷嘴到试样表面的距离为150mm，喷丸流量为1.8kg/min，喷丸时间为3min，离心喷丸机转速为3500r/min，喷射角度θ＝50°；

所述高铬奥氏体钢为Super304H；

喷丸强度为0.25～0.35A，表面覆盖率为200％；

经过喷丸工艺处理的试样表面层形成一层致密的Cr₂O₃薄膜。