第1章 新型含鋁奧氏體耐熱鋼的合金設(shè)計(jì)及強(qiáng)化

1.1 新型含鋁奧氏體耐熱鋼的研究背景

在實(shí)際生產(chǎn)中,應(yīng)用于超超臨界火電機(jī)組的奧氏體耐熱鋼不僅要具有高溫持久強(qiáng)度,而且需要具有優(yōu)秀的高溫抗氧化性能。對(duì)于工作溫度在650℃的超超臨界火電機(jī)組來(lái)講,傳統(tǒng)的奧氏體耐熱鋼通過(guò)向基體中添加Cr元素,在合金表面形成Cr₂O₃氧化膜的方法實(shí)現(xiàn)高溫抗氧化即可滿足實(shí)際工作需求。但隨著環(huán)境污染問(wèn)題日益加劇,迫切需要提高超超臨界火電機(jī)組的工作溫度,繼而增加發(fā)電效率。在700℃高溫水蒸氣下,Cr₂O₃易與水蒸氣發(fā)生反應(yīng)形成易揮發(fā)的CrO₃或CrO₂(OH)₂,導(dǎo)致Cr元素嚴(yán)重流失,從而嚴(yán)重影響合金的高溫抗氧化性能,導(dǎo)致材料壽命驟減,不能滿足超超臨界火電機(jī)組高溫水蒸氣環(huán)境下的服役要求。而 Al₂O₃?氧化層在高溫下具有比 Cr₂O₃?更好的熱力學(xué)穩(wěn)定性,可有效提高耐熱合金的抗氧化性能。于是發(fā)展以Al₂O₃保護(hù)膜替代傳統(tǒng)的Cr₂O₃保護(hù)膜的新型含鋁奧氏體耐熱鋼成為研究的新方向。2007年,美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Oak Ridge National Laboratory, ORNL)Yamamoto等人[1]在高溫超細(xì)沉淀強(qiáng)化奧氏體不銹鋼(HT?UPS)的基礎(chǔ)上調(diào)整優(yōu)化Ti、Al、Nb、V元素,首次制備出表面形成Al₂O₃氧化層的新型含Al奧氏體耐熱鋼(Alumina?forming Austenitic Steel,?簡(jiǎn)稱AFA鋼)。與傳統(tǒng)奧氏體耐熱鋼相比,AFA鋼在750℃以上的水蒸氣環(huán)境下仍能表現(xiàn)出良好的抗蠕變性能和抗氧化性能,是目前700℃等級(jí)超超臨界火電機(jī)組最有潛力的耐高溫結(jié)構(gòu)材料。AFA鋼的問(wèn)世迅速引起無(wú)數(shù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

國(guó)外對(duì)AFA鋼研究最多的是美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室,Brady等人[2]以Fe?15Cr?20Ni鋼為基,通過(guò)不斷調(diào)整合金元素的加入量,研制出了一系列具有良好高溫蠕變性能的AFA鋼,并利用氧化增重法,研究了不同種合金元素在高溫水蒸氣工作環(huán)境下對(duì)AFA耐熱鋼的抗氧化性能的影響。美國(guó)達(dá)特茅斯學(xué)院的Baker等人[3]研究了時(shí)效處理對(duì)Fe?20Cr?30Ni?2Nb?5Al含Al奧氏體耐熱鋼微觀組織以及高溫力學(xué)性能的影響,并且對(duì)晶界覆蓋率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。韓國(guó)的材料科學(xué)與工程研究所將在780℃氧化330h后的AFA耐熱鋼表面氧化物的形貌用EBSD進(jìn)行了表征,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,表層主要由一些富Cr?Mo₄包裹的富Nb?Mo₂相組成,其形成機(jī)理有待進(jìn)一步研究和證明。

我國(guó)對(duì)AFA耐熱鋼的研究開(kāi)展得也較早,很多研究團(tuán)隊(duì)在AFA耐熱鋼成分設(shè)計(jì)、組織性能調(diào)控方面也做出了較大的貢獻(xiàn),推動(dòng)了AFA耐熱鋼的快速發(fā)展應(yīng)用。例如,江蘇大學(xué)吳曉東等(程曉農(nóng)教授課題組)[4]以Fe?18Cr?30Ni為基,將不同的Al元素添加量作為變量設(shè)計(jì)了四組對(duì)比實(shí)驗(yàn),研究了Al元素含量對(duì)AFA鋼的高溫抗氧化性能的影響規(guī)律。北京科技大學(xué)Zhou等(呂昭平教授研究團(tuán)隊(duì))[5]以Fe?18Cr?25Ni為基,通過(guò)調(diào)整Al元素和Cr元素的含量,研發(fā)出了多種不同合金成分的AFA鋼,總結(jié)了析出強(qiáng)化機(jī)制,將高溫抗氧化性能和高溫持久強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比,通過(guò)第二相調(diào)控大幅度提高了AFA耐熱鋼的高溫強(qiáng)度,取得了具有國(guó)際影響力的重大成果。

總結(jié)現(xiàn)有研究成果,可應(yīng)用于超超臨界火電機(jī)組關(guān)鍵高溫部件的新型含Al奧氏體耐熱鋼的主要發(fā)展方向和調(diào)控思路是以Super304H、HR3C和TP347HFG為基,進(jìn)一步調(diào)整Al、Si、N、Ni、V、B等合金元素含量,并研究合金在服役過(guò)程中納米級(jí)別的沉淀相析出分布情況、高溫蠕變性能的變化規(guī)律以及在高溫水蒸氣環(huán)境下合金表面氧化膜的形成規(guī)律等。其主要研究目標(biāo)是在控制成本的前提下盡量提升合金的高溫蠕變性能和高溫抗氧化性能。