含9 ~ 12% 铬的马氏体钢是用来制作用于超超临界蒸汽工况下新型高效电厂关键部件的理想材料。进行实验时，在钢中加入0.2%铼，能够提高钢材在650 ℃温度下的短期蠕变强度。通过对比不同高铬马氏体钢基体中钨的耗损动力学，实验表明，在650 ℃时效和蠕变过程中，10Cr-3Co-3W-0.2Re钢中加入铼并不会导致铁素体基体中留有更多溶质钨，同时，会析出优异的金属间化合物相，能够有效强化颗粒。

一、介绍

9-12%Cr的耐热钢，如TOS系列，往往用于火电厂锅炉、蒸汽总管、汽轮机等关键部件，能够提高热效率。TOS203钢是东芝公司于20世纪80年代开发的高温叶片用钢，与TOS202和TOS110转子钢相比，该钢增加了钨含量，降低了钼含量，并添加了铼。铼能够有效提升镍基高温合金的蠕变强度。在TOS203钢中，铼作为固溶体强化剂发挥作用，并且在600°C和650°C的蠕变或热老化过程中，能够保持基体中的溶质钨含量不断增加。此外，铼显著抑制了钨在Fe-15Cr基合金中的扩散。

最新的合金设计研究表明，通过减少氮和增加硼，TOS110钢在650℃/120 MPa下的抗蠕变性能可提高到40000h。在此基础上添加铼，可以进一步提高TOS110钢的蠕变强度。本文的目的是展示在650℃蠕变和时效过程中，铼对含0.002%氮和0.008%硼的10wt %Cr-3%Co-3%W马氏体钢的蠕变强度的积极影响。

二、铼对高铬马氏体钢抗蠕变性能的影响

10Cr-3Co-3W-0.2Re钢，经过最终的热处理后，初始奥氏体晶粒的平均尺寸为55μm。板条平均厚度约为0.3μm，在板条内部观察到的高位错密度约为2*1014 m-2。细小的M23C6碳化物平均尺寸为70 nm，块、板条的边缘；NbX碳氮化物平均尺寸为40 nm，均匀分布在马氏体板条内。

随着试验温度的升高，10Cr-3Co-3W-0.2Re钢的极限抗拉强度(UTS)(图1a)和屈服强度(YS)(图1b)不断降低。10Cr-3Co-3W-0.2Re钢的极限抗拉强度和屈服强度与不含Re的9Cr-3Co-3W-0Re和改良TOS110钢的极限抗拉强度和屈服强度相对应，而TOS203钢的极限抗拉强度在所有测试温度下都较高，屈服强度仅在环境温度下较高。与其他钢材相比，TOS203钢的极限抗拉强度和屈服强度明显较高，这归因于较低的回火温度(表1)。因此，10Cr–3Co–3W-0.2Re钢中的铼在20°C、600°C和650℃的温度下不影响整体强化(图1a和b)。

图1（c）显示了钢在650℃时的蠕变断裂数据。在断裂时间<5000 h的短期蠕变试验中，9Cr-3Co-3W-0Re和TOS 203钢具有明显的优势，而在长期蠕变试验中，其抗蠕变性能显著降低。由于氮含量高，两种钢在10,000 h后表现出相同的蠕变强度。另一方面，低氮含量的改性TOS110钢的长期蠕变强度可达40000 h。10Cr-3Co-3W-0.2Re钢中添加0.2% Re, W含量增加3%，与改性TOS110钢相比，短期蠕变强度显著提高。

图1. 10Cr-3Co-3W-0.2Re钢的极限抗拉强度(a)、屈服强度(b)、测试温度和蠕变行为(c)与不含Re的9Cr-3Co-3W-0re、改性TOS110和TOS203钢的比较

对于所有钢，经过1000 h热时效或500 h 650℃蠕变后，基体中的W含量分别达到1.3 wt%和1.2 wt%(图2)。蠕变加速了基体中钨的消耗。钨的损耗f(W)与合金化无关，在时效(1)和蠕变(2)过程中分别为f(W) ~2.17exp(-0.0033t)和f(W) ~2.38exp(-0.0083t)。

图2. 650℃时效(a)和蠕变(b)过程中铁素体基体中钨含量的变化

10Cr-3Co-3W-0.2Re和TOS203钢中的铼在650℃的热时效和短期蠕变过程中都不会导致铁素体基体中留有更多的溶质W，这与某些相关文献中记载的数据相矛盾。最初，在10Cr-3Co-3W-0.2Re和9Cr-3Co-3W-0Re钢中较高的W含量只在650℃蠕变/时效前100 h，并且析出金属间化合物Fe2(W,Mo)之前，才会增加固溶体强化。在650℃下，10Cr-3Co-3W-0.2Re钢在前100 h的蠕变/时效过程中，金属间化合物颗粒沿板条边界析出(图3)。随着蠕变/时效时间的延长，金属间化合物颗粒的体积分数逐渐增大，在时效2000 h或蠕变440 h后，金属间化合物颗粒的平均尺寸增大至100 nm(图3b)。在10Cr-3Co-3W-0.2Re钢中，短期蠕变后金属间化合物颗粒的平均尺寸明显小于改性TOS110钢中金属间化合物的体积分数(根据Thermo-Calc热力学计算软件计算，10Cr-3Co-3W-0.2Re钢中金属间化合物的体积分数为1.88%，而改性TOS110钢中金属间化合物的体积分数为1.59%)。在时效2000 h或蠕变440 h时，M23C6碳化物和NbX碳氮化物的平均尺寸分别保持在70 nm和40 nm左右(图3b)。在改性的TOS110钢中，经过278 h的蠕变，这些相的平均尺寸分别为80 nm和47 nm。因此，铼延缓了颗粒的粗化。金属间化合物颗粒的高体积分数和细粒度共同增强了板条结构在蠕变过程中的稳定性，从而提供了蠕变强度的增加。

图 3. 10Cr-3Co-3W-0.2Re 钢在 650°C 下进行短期蠕变试验后的 TEM 显微照片： 200 兆帕、8 小时（a）和 160 兆帕、440 小时（b），黑色和白色箭头分别表示沿板条边界的 M23C6 和 金属间化合物颗粒；灰色箭头表示板条内析出的 NbX 颗粒。电子衍射图（c）是从（b）中圆圈所示的 Laves 相颗粒上获得的。10Cr-3Co-3W-0.2Re 钢在 650°C 不同持续时间的等温时效后的 XRD 图谱 (d)

三、结论

1.在实验中，向10Cr-3Co-3W-0.2Re钢中添加0.2%的铼可以提高其短期蠕变强度，但不影响在20°C、600°C和650°C测试温度下的抗拉强度和屈服强度。

2.在650°C的老化和蠕变过程中，添加0.2%的铼并不会导致铁素体基体中留有更多的溶质钨。实验中10Cr-3Co-3W-0.2Re钢蠕变强度的增加与大量细小的金属间化合物颗粒的析出以及抑制其粗化有关。

参考文献：On effect of rhenium on mechanical properties of a high-Cr creep-resistant steel, A. Fedoseeva, I. Nikitin, N. Dudova, R. Kaibyshev