國產S30432與進口Super304H內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研究，系統(tǒng)分析了國產S30432內壁噴丸不銹鋼管與進口Super304H內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。研究結果表明噴丸應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口管子，因此，國內噴丸處理工藝水平與國外相比尚有一些差距，還有待進一步改進和提高。

 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，尤其是內表面經過噴丸處理的Super304H不銹鋼管子抗蒸汽氧化性能進一步提高，為其大規(guī)模使用和開發(fā)提供了良好的商機。近年來，隨著我國超超臨界機組的大規(guī)模發(fā)展，需要進口的高等級材料管子（如Super304H、HR3C、P92等管材）數(shù)量劇增，越來越長的進口供貨周期和越來越高的進口價格嚴重制約我國超超臨界發(fā)電技術大規(guī)模推廣應用。為此，國內一些制造加工企業(yè)自2003年以來陸續(xù)開展了國產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、加工及熱處理方面都取得了突破性進展，如江蘇武進、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部門組織的技術評定，產品質量已達到了國外同類產品的技術要求，下一步將逐步批量生產并投放市場。為了進一步提高18-8系列奧氏體不銹鋼管的抗蒸汽氧化性能，近年來國內一些企業(yè)在噴丸處理國產化方面也投入了不少的精力和資金，并在國產內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研究工作，目前上海一家企業(yè)已經成功開發(fā)出了國內不銹鋼管噴丸處理生產線并投入批量生產，但有關國產內壁噴丸處理管子和進口內壁噴丸處理管子在噴丸層質量、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報道。為了確保超超臨界機組的安全、經濟運行，有必要對國產S30432內壁噴丸管和進口Super304H內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等進行深入對比試驗研究，以便弄清國產S30432內壁噴丸管的噴丸處理質量是否達到了國外同類產品的水平，從而為電廠用戶合理選擇使用國產噴丸管提供技術依據，并為國內噴丸處理企業(yè)提高產品質量指出改進的方向。

一、試驗材料及試驗方法

 1. 試驗材料的來源及其基本情況

  試驗所用國產噴丸處理的S30432不銹鋼管子是從遼寧某電廠采購的準備用于加工制造1000MW超超臨界機組末級過熱器和末級再熱器管屏的一批管子中隨機抽取的，該批S30432不銹鋼管子由江蘇某鋼管制造企業(yè)生產，噴丸處理工作由上海某企業(yè)承擔。進口噴丸處理的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抽取的。為了簡便起見，在此僅挑選3根典型的管子試驗結果進行對比分析，其中國產噴丸處理的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）的噴丸層進行了相關試驗項目的研究，其管樣編號為4號。噴丸層組織和硬度檢驗前先對試驗管子基材的化學成分、金相組織和力學性能進行了檢驗，結果表明各試驗管樣的化學成分、金相組織和力學性能都符合相關標準的要求，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. 試驗方法

  用目視和體視顯微鏡觀察分析管樣內壁噴丸的宏觀形態(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行分析、測量噴丸形變層的深度等，用顯微硬度計進行噴丸硬化層和母材的維氏硬度分析，用掃描電鏡進行內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結果及分析

  1. 噴丸形變層表面形貌的目視檢查和低倍觀察

  目視觀察到國產噴丸管子和進口噴丸管子內表面的顏色差異很大，其中國產1號、2號管樣內表面呈均勻的銀灰色金屬光澤，進口3號管樣內表面呈均勻的棕褐色，進口4號管樣內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壁噴丸層表面的15kVX射線能譜成分半定量試驗結果（原子百分比），從表中數(shù)據可看出，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個進口噴丸管樣內壁表面存在相對較多的氧化物。初步分析認為進口管子內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證。

  采用OPTON高級體視顯微鏡對各管樣噴丸形變層內表面的低倍形態(tài)進行觀察分析后發(fā)現(xiàn)，1號、2號內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，內表面起伏較大；3號管樣內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，內表面起伏較小；4號管樣的內表面低倍形態(tài)處于國產噴丸S30432不銹鋼管樣和進口噴丸Super304H不銹鋼管樣之間。1號、4號和3號管樣內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壁表面進行SEI圖像觀察分析，結果發(fā)現(xiàn)1號、2號管樣內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，進口Tcmpalloy AAI樣品內壁啖九層表面魚鱗片疊蓋程度較輕，流線不明顯，微飛邊也比國產管子顯若減少，金屬變形起伏程度也明顯減小，而進口Supcr304H內壁噴九層表面基本上無魚鱗片疊蓋，內壁表頗有流線，但流線短細密，基本上無微飛邊，金屬變形起伏很小，僅僅在原始內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S30432不銹鋼管樣內壁噴丸所用的彈丸形狀不規(guī)則，噴九強化處理時噴頭的轉速、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壁產生的均勻擠壓變形作用，致使彈丸的有效撞擊覆蓋率降低：而進口Super304H管樣內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結果及其分析

  a. 噴丸形變層的微觀組織形貌特征分析

    根據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一步細分碎化晶層、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烈沖擊反復變形和嚴重破碎所致。

    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壁表面40~120μm范圍內，處于碎化晶層和單滑移層之間。該分層中奧氏體晶粒內發(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壁方向轉動程度也越明顯。金相組織由奧氏體和α'應變誘發(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，通常分布在內表面下100~200μm范圍內，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??；管樣噴丸形變層間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%?？梢姡?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，其所占百分數(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產生了大量的位錯、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散的便捷通道，從而加快鉻元素的擴散速度，促進了金屬表面致密Cr2O3保護膜生成。因此，噴丸應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S30432不銹鋼管噴丸層形變組織尚不及進口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

   查閱國內某企業(yè)標準得到S30432不銹鋼管內壁噴丸層的硬度指標要求如下：離鋼管內壁60μm深度處沿橫截面時鐘3、6、9和12四點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)標準的測試方法和要求對各測管樣品進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（沿圓周方向每隔90°測1點），對于硬度異常的測點再在該測點附近40μm深度處進行測量。同時在每個硬化層測點對應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果見圖。

  從圖的數(shù)據可看出：

   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，而且距鋼管內壁40μm深度處的1個測點硬度平均值也僅為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；離鋼管內壁40μm處沿橫截面時鐘3、6、9和12四點的硬度平均值為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的噴丸技術條件來檢驗其硬度指標?？傮w來看，進口Super304H噴丸管的噴丸硬化層硬度值高于國產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)標準要求，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個測點位置的實測最大硬度值和最小硬度值匯總于表。

  從表可以看出，進口鍋爐管噴丸硬化層橫截面硬度比國產鍋爐管噴丸硬化層橫截面硬度均勻性好。如果隨機抽取噴丸處理管樣對其硬化層4個測點位置進行硬度檢驗，對于國產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)檢驗結果合格的情況，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-深度關系曲線如圖所示。

   從圖可以看出，國產噴丸不銹鋼管和進口噴丸不銹鋼管的噴丸硬化層硬度變化規(guī)律都很相似，隨著測點位置距管子內表面距離的增大，維氏顯微硬度200μm范圍內呈現(xiàn)快速下降的特點，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果可以看出，在有效硬化區(qū)內3號試樣的硬度值始終遠遠高于1號和4號試樣，且在距離管子內表面90μm的深度范圍內，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，這進一步說明進口Super304H噴丸層的硬度值高于國產S30432噴丸層的硬度值。

三、結論

   1. 國產不銹鋼管內表面呈光亮金屬色，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；而進口管子內表面呈淺棕氧化色，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量的關鍵。國產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口的Super304H噴丸不銹鋼管。

   3. 國產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口噴丸處理的Super304H不銹鋼管好。

   4. 關于國產噴丸不銹鋼管和進口噴丸不銹鋼管的抗蒸汽氧化性能對比試驗目前正在進行中，有關其內表面顏色的差異成因也有待進一步研究。從目前的初步對比結果來看，國產噴丸管子的噴丸質量與進口的同類產品相比尚有一定的差距，還需要在噴丸處理工藝技術方面進一步改進和提高。