摘要：LC650耐热钢作为新一代超超临界机组主蒸汽管道关键材料，在630~650℃高温下的组织稳定性与力学性能直接关联机组运行安全性，通过采用细晶热处理工艺精准控制正火和回火各项参数，可有效细化晶粒组织进而提升钢管整体性能。本研究运用阶梯式加热正火工艺并结合优化回火处理，全面分析加热温度、冷却速率和回火温度对LC650钢微观组织和力学性能影响规律。研究结果显示，在正火温度1100℃、冷却速率60℃/s以及回火温度780℃条件下，LC650钢管能获得最佳马氏体组织，其室温抗拉强度可达800MPa，且冲击韧性显著提升，可满足超超临界机组长期安全运行需求。

　　关键词：LC650耐热钢；细晶热处理；正火工艺；回火处理；组织性能

　　超超临界火电机组采用更高蒸汽参数是提升发电效率、减少碳排放关键技术发展方向。LC650马氏体耐热钢作为T/P92钢升级版，通过优化合金成分在钨钼复合固溶强化基础上精确控制硼氮铜钽等微量合金元素含量，显著增强其在630~650℃温度范围持久强度和抗氧化性能[1]。

　　但LC650钢因多元素复合强化特性导致热加工性能较差，传统热处理工艺难以达到理想组织性能匹配。细晶热处理技术通过控制加热工艺、优化冷却路径，并精确调整回火参数，实现晶粒细化和组织均匀化，为优化LC650钢管性能提供有效技术方法。

　　1 LC650耐热钢细晶热处理工艺设计

　　1.1阶梯式加热正火工艺

　　为克服大口径厚壁LC650钢管热处理时径向温度不均问题，文章采用多级控温的阶梯正火工艺。加热过程划分成三个阶段：首先是600~800℃的预热阶段，其次是800~1000℃的中间加热阶段，最后是1000~1150℃的高温奥氏体化阶段。

　　在各个阶段升温速度分别精确控制，预热阶段每小时50℃、中间阶段每小时80℃、高温阶段每小时100℃。预热阶段主要作用是减小钢管内外壁温度差异，防止热应力集中情况的出现，中间加热阶段有利于碳化物的熔解过程，高温奥氏体化阶段目标是细化晶粒并实现成分均匀分布[2]。

　　1.2控制冷却对马氏体相变的影响机制

　　通过对冷却速度进行精确调整，控制冷却技术可有效控制LC650钢马氏体相变。为更深入了解冷却速度对马氏体组织形态的影响，借助金相显微镜观察不同冷却速率下钢材组织特征，如图1所示。

　　由图1对比结果显示，冷却速度对马氏体板条形貌影响明显。当冷却速度为30℃/s时形成的马氏体板条相对粗宽，宽度大约在2.5~3.2μm，且板条边界分明但数量不多。当冷却速度提升至60℃/s时，马氏体板条明显变细，宽度降至1.2~1.8μm，且板条数量显著增多。继续将冷却速度提升到90℃/s，马氏体板条继续细化至0.8~1.2μm，但局部区域组织结构存在不均匀情况。

　　1.3精确回火处理的组织稳定化机理

　　精准的回火工艺通过对温度和时间的精确把控，达到稳定马氏体组织并优化材料性能的目的。回火过程主要包含三个阶段，分别是马氏体发生分解、碳化物从材料中析出并逐渐增大、位错进行回复以及重新排列[3]。

　　在750~790℃回火温度范围内，过饱和马氏体中的碳原子扩散析出，形成M23C6型碳化物。析出动力学遵循Johnson-Mehl-Avrami方程，如式（1）：

　　X=1-e(-ktn)（1）
       式中：X为析出分数；k为速率常数；t为时间；n为Avrami指数。在LC650钢中同时加入硼（B）和氮（N）这两种元素，会对碳化物的析出产生明显影响。例如，硼原子会优先进入M23C6碳化物结构中的空隙，进而形成M23（C，B）6这种复合碳化物，能够有效抑制碳化物的粗化行为。

　　2热处理工艺参数的影响规律

　　2.1正火温度与冷却速率对晶粒细化的协同作用

　　正火处理过程中温度高低和冷却速度快慢会共同影响LC650钢的晶粒大小和组织结构，如表1所示。

　　表1的分析结果表明，正火温度设定为1080℃且冷却速度控制在60℃/s时，可获得最佳组织调控效果。

　　在这样的条件下，奥氏体晶粒度等级能达到6.5级，马氏体板条宽度被精准控制在1.4μm，同时硬度值达到49.2HRC。这些经过优化的工艺参数为LC650钢实现优异强度和韧性匹配提供关键基础。

　　2.2回火温度对碳化物析出与分布的调控效应

　　回火温度在控制LC650钢中碳化物析出行为和分布特性方面十分关键，如图2所示。

　　图2透射电镜分析显示，回火温度显著影响碳化物大小、形状、分布等各项特征。当回火温度处于750℃时，能观察到M23C6碳化物主要位于马氏体板条边界，且呈细小球状形态，其平均尺寸大概在60nm，但分布密度相对比较稀疏。而经过770℃回火处理后碳化物不仅在板条边界析出，还在板条内部出现，尺寸控制在80~100nm，且分布变得更为均匀，进而构建理想弥散强化效果[4]。当回火温度升高到790℃时，碳化物发生明显粗化，平均尺寸超过150nm，且有部分碳化物聚集现象，导致强化效果下降。

　　在LC650钢中，硼（B）和氮（N）元素的联合添加能够有效稳定M23（C，B）6碳化物结构，抑制其高温粗化趋势，为钢材长期高温运行时的组织稳定性提供保障。

　　2.3工艺参数优化与组织性能关系建立

　　针对LC650钢开展一系列系统的热处理实验研究，并且在此基础上建立热处理工艺参数和材料组织性能之间的定量关系。基于Hall-Petch关系和Orowan机制，LC650钢的屈服强度σy可表示为式（2）：

　　σy=σ0+ky·d(-1/2)+σp（2）

　　式中，σ0为基体强度；ky为晶界强化系数；d为有效晶粒尺寸；σp为析出强化贡献。

　　对组织性能的关联性开展研究后发现，通过对工艺参数进行优化设置，把正火温度设定为1080℃、冷却速度设定为60℃/s，并且进行770℃的回火处理之后，LC650钢在室温环境下的屈服强度能够达到540~580MPa，抗拉强度能够达到780~820MPa，同时其延伸率也可以维持在22%~26%的理想区间范围。

　　3细晶热处理技术的工程应用

　　3.1 LC650钢管热处理工艺实施

　　某公司在720生产线上成功应用细晶热处理工艺，用来制造大口径厚壁LC650钢管，攻克传统热处理工艺厚壁管径向温度均匀性控制瓶颈。正火处理过程使用专门淬火装置，冷却采用高压气体与水雾的复合冷却方式，冷却速率控制在55~65℃/s，回火处理在台车式回火炉中进行。

　　3.2力学性能提升效果与持久强度评价

　　通过细晶热处理工艺让LC650钢管整体力学性能显著增强，如表2所示。

　　大量力学性能对比实验充分证明，细晶热处理技术具备明显优势。与传统热处理方法相比，这种细晶工艺在各项性能表现上均取得显著进步。常温情况下屈服强度和抗拉强度分别提高10.6%和17.4%，且延伸率提升30%，说明材料强度与塑性得到良好改善和平衡。

　　室温冲击测试中冲击功提升41.5%，表明低温韧性显著提高，使材料更不易发生脆性断裂。650℃高温环境中屈服强度提高16.3%，能完全满足超超临界机组长时间高温运行严格要求。

　　通过对持久强度外推计算发现，在650℃运行10×104h，持久强度可达87MPa。相比传统工艺的66MPa，提升约32%，为LC650钢管在630~650℃范围内的安全可靠运行提供有力的性能保障。

　　3.3工艺稳定性控制与产业化应用前景

　　为确保细晶热处理工艺稳定可靠，建立健全质量管理体系与严格过程控制规范，利用统计过程控制（SPC）技术对工艺参数进行精准控制，关键控制要素为：正火温度控制在设定值±10℃范围内、冷却速度控制在设定值±5℃/s范围内、回火温度控制在设定值±8℃范围内以及保温时间控制在设定值±10min范围内[5]。

　　生产统计数据表明，LC650钢管力学性能变异系数已成功控制在3%~5%的较低水平，且产品合格率高达96%以上，通过连续跟踪监测验证工艺稳定性。此期间累计生产超过1200吨LC650钢管，且各项性能指标保持稳定可控。

　　鉴于超超临界机组装机容量不断增加，LC650钢管市场需求预计每年达8000~10000吨，该工艺产业化应用前景十分广阔，能为能源装备制造业高质量发展提供坚实保障。

　　4结语

　　LC650耐热钢细晶热处理技术把分段升温正火和精确回火巧妙结合起来，有效实现对多元素复合强化耐热钢组织结构的精确控制。通过对工艺参数进行优化，把正火温度设定为1080℃、冷却速率控制在60℃/s、回火温度选择为770℃,让LC650钢管得到组织均匀细小的马氏体以及分布理想的碳化物。力学性能测试结果证实，这项技术具备优越性，在650℃高温环境下屈服强度达到275~295MPa，10万小时的持久强度超过87MPa，完全契合630~650℃超超临界机组严格的使用标准。工程应用表明，该细晶热处理技术具有良好的工艺稳定性和工业化潜力，为下一代耐热钢管的大规模生产提供可靠的技术支撑，还推动我国超超临界火电技术的自主创新。

参考文献

　　［1］徐磊，郄默繁，浦岩昊，等.热处理制度对0.37C-0.6Mn-0.82Cr钢力学性能和微观组织的影响［J/OL］.特殊钢，1-6［2025-11-04］.

　　［2］王礼银，左彪，孙万利，等.17CrNiMo6钢温锻行星齿轮混晶缺陷特征及热处理研究［J］.锻压技术，2025，50（4）：229-235.

　　［3］荣川，杨劫人，杜新，等.TiAl合金形变热处理及超细晶制备技术进展［J］.材料热处理学报，2025，46（2）：28-43.

　　［4］颜文超，高波，肖礼容，等.温轧和临界退火制备超细晶异构双相钢的微观结构及力学性能［J］.金属热处理，2024，49（7）：54-63.

　　［5］蒯立群，鲁干，鲁金忠，等.退火热处理对不同构建方向上激光选区熔化316L不锈钢的各向同性增强机理［J］.激光与光电子学进展,2024,61（23）：315-329.