第1章 新型含铝奥氏体耐热钢的合金设计及强化
1.1 新型含铝奥氏体耐热钢的研究背景
在实际生产中,应用于超超临界火电机组的奥氏体耐热钢不仅要具有高温持久强度,而且需要具有优秀的高温抗氧化性能。对于工作温度在650℃的超超临界火电机组来讲,传统的奥氏体耐热钢通过向基体中添加Cr元素,在合金表面形成Cr2O3氧化膜的方法实现高温抗氧化即可满足实际工作需求。但随着环境污染问题日益加剧,迫切需要提高超超临界火电机组的工作温度,继而增加发电效率。在700℃高温水蒸气下,Cr2O3易与水蒸气发生反应形成易挥发的CrO3或CrO2(OH)2,导致Cr元素严重流失,从而严重影响合金的高温抗氧化性能,导致材料寿命骤减,不能满足超超临界火电机组高温水蒸气环境下的服役要求。而 Al2O3 氧化层在高温下具有比 Cr2O3 更好的热力学稳定性,可有效提高耐热合金的抗氧化性能。于是发展以Al2O3保护膜替代传统的Cr2O3保护膜的新型含铝奥氏体耐热钢成为研究的新方向。2007年,美国橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory, ORNL)Yamamoto等人[1]在高温超细沉淀强化奥氏体不锈钢(HT⁃UPS)的基础上调整优化Ti、Al、Nb、V元素,首次制备出表面形成Al2O3氧化层的新型含Al奥氏体耐热钢(Alumina⁃forming Austenitic Steel, 简称AFA钢)。与传统奥氏体耐热钢相比,AFA钢在750℃以上的水蒸气环境下仍能表现出良好的抗蠕变性能和抗氧化性能,是目前700℃等级超超临界火电机组最有潜力的耐高温结构材料。AFA钢的问世迅速引起无数国内外学者的广泛关注。
国外对AFA钢研究最多的是美国橡树岭国家实验室,Brady等人[2]以Fe⁃15Cr⁃20Ni钢为基,通过不断调整合金元素的加入量,研制出了一系列具有良好高温蠕变性能的AFA钢,并利用氧化增重法,研究了不同种合金元素在高温水蒸气工作环境下对AFA耐热钢的抗氧化性能的影响。美国达特茅斯学院的Baker等人[3]研究了时效处理对Fe⁃20Cr⁃30Ni⁃2Nb⁃5Al含Al奥氏体耐热钢微观组织以及高温力学性能的影响,并且对晶界覆盖率进行了统计。韩国的材料科学与工程研究所将在780℃氧化330h后的AFA耐热钢表面氧化物的形貌用EBSD进行了表征,实验结果表明,表层主要由一些富Cr⁃Mo4包裹的富Nb⁃Mo2相组成,其形成机理有待进一步研究和证明。
我国对AFA耐热钢的研究开展得也较早,很多研究团队在AFA耐热钢成分设计、组织性能调控方面也做出了较大的贡献,推动了AFA耐热钢的快速发展应用。例如,江苏大学吴晓东等(程晓农教授课题组)[4]以Fe⁃18Cr⁃30Ni为基,将不同的Al元素添加量作为变量设计了四组对比实验,研究了Al元素含量对AFA钢的高温抗氧化性能的影响规律。北京科技大学Zhou等(吕昭平教授研究团队)[5]以Fe⁃18Cr⁃25Ni为基,通过调整Al元素和Cr元素的含量,研发出了多种不同合金成分的AFA钢,总结了析出强化机制,将高温抗氧化性能和高温持久强度进行对比,通过第二相调控大幅度提高了AFA耐热钢的高温强度,取得了具有国际影响力的重大成果。
总结现有研究成果,可应用于超超临界火电机组关键高温部件的新型含Al奥氏体耐热钢的主要发展方向和调控思路是以Super304H、HR3C和TP347HFG为基,进一步调整Al、Si、N、Ni、V、B等合金元素含量,并研究合金在服役过程中纳米级别的沉淀相析出分布情况、高温蠕变性能的变化规律以及在高温水蒸气环境下合金表面氧化膜的形成规律等。其主要研究目标是在控制成本的前提下尽量提升合金的高温蠕变性能和高温抗氧化性能。