加Al HP40合金的焊接性能

通过对HP40和加w(Al)5%HP40合金焊接接头的组织和力学性能分析,发现加w(Al)5%HP40合金焊接后的力学性能与母材基本相当,焊接后的合金接头和母材一样具有优良的高温力学性能。

Al对HP40合金高温抗氧化性能的影响

实验研究了含铝5％-20％（质量分数）的HP40合金在1200℃的高温抗氧化性能，发现铝加入后在合金表面形成了以氧化铝为主的氧化膜，从而显著增加了合金的高温抗氧化性能。当铝含量为5％和10％时，合金的高温抗氧化性能最好。但是随铝含量的进一步增加，合金的抗氧化性反而降低。其原因是由于合金表面氧化铝膜的增厚使其容易脱落而使合金高温抗氧化性能下降。

Al对HP40合金显微组织的影响

试验中用中频无芯感应炉熔炼、树脂砂型制备出HP40、加Al5%～10%降Ni5%～10%的合金试样,用Mef3光学金相显微镜观察金相组织,用EPMA-1600电子探针分析组织中各元素的分布,结合D8ADVANCE型X射线衍射确定合金中的相组成。结果表明,随铝含量增加,合金基体从γ相转变为α相;析出相除碳化物外,还生成了FeNiAl金属间化合物强化相,并随铝含量的增多进一步增多、长大,形状由片条状逐步转变成羽毛状。

Al改性HP40合金力学性能的研究

在HP40合金中加入5%～20%的Al替代Ni,进行室温压缩和硬度力学性能试验。结果表明,铝的加入使合金的强度和硬度得到了显著提高。但随着Al含量的提高,由于树枝状(Ni,Fe)Al金属间化合物的析出及增加,使合金的脆性增加。

HP40合金试样氧化表面的催化结焦

以石脑油为裂解原料,在850℃下进行了HP40合金试样氧化表面的催化结焦实验。采用扫描电子显微镜(SEM)、能量色散谱仪(EDS)和拉曼光谱表征了HP40合金试样的氧化层和结焦层。结果表明,HP40合金试样表面氧化层疏松、多孔,主要由(Cr,Fe)尖晶石和少量的Fe2O3组成。在结焦初始阶段,结焦速率较大,然而随着结焦实验时间的增加,结焦速率开始降低,最后趋于稳定值0.0084mg/(cm2.min)。在形核阶段,结焦层的粒子直径约为1μm,在催化结焦的后期,丝状焦直径约为0.2μm,当结焦机理为热裂解结焦时,丝状焦直径又增加到0.5μm。

乙烯裂解炉管HP40合金的蠕变性能

在900,℃不同应力条件下,对HP40合金高温下的蠕变性能进行研究,观察试验前后显微组织的转变,并得到其蠕变本构方程.同时借助SEM+EDX对组织转变及相成分变化进行深入分析.HP40合金在高温下,随着应力的增加蠕变速率增大.其原始组织骨架状的共晶碳化物(r+M7C3+少量M23C6),经过长时蠕变试验后,逐渐变成条状和块状的M23C6,且有一定量的二次碳化物析出.HP40合金中骨架状共晶碳化物的消失会造成蠕变强度的下降.同时由于蠕变孔洞的出现,导致蠕变性能的下降,加速其蠕变变形的过程.

Al对HP40合金室温力学性能的影响

采用中频感应炉熔炼的方法制取样件．用光学显微镜分析在HP40合金中加入质量分数为5％～10％的～元素时，各质量分数所对应的相组成和显微组织，研究在HP40合金中加入不同质量分数的Al对合金室温力学性能的影响以及合金力学性能与显微组织的关系．结果发现，加Al元素的HP40合金抗拉强度和屈服强度均随Al质量分数的增加而先升高后降低；合金的硬度随Al质量分数的增加而显著提高；合金的延伸率在Al质量分数为5％时，与未加Al的HP40合金一样未降低，而后随着Al质量分数的增加而降低．随着～质量分数的增加，由于金属间化合物（Ni，Fe）Al的析出，合金的组织也发生了明显的变化，组织由网状结构变为枝状结构和羽毛状结构。

Nb对铸态HP40合金抗氧化及高温强度的影响

通过Gleeble-1500热模拟机研究了Nb含量对10 kg真空感应炉熔炼的铸态HP40合金(%:0.40C、25Cr、35Ni、0.15Mo、0.05Ti、0.4～2.1Nb)1 150℃抗氧化性和抗拉强度的影响。结果表明,0.8%Nb时,HP40合金具有最佳的综合高温性能:在1 150℃合金氧化增重最低,为0.766 g/(m^2·h),抗拉强度最高,为52 MPa。

HP40合金表面原位制备复合氧化层

采用原位氧化法于H2和水蒸汽形成的低氧分压环境中,在HP40合金表面制备复合氧化膜。用XRD、EDS和SEM分别表征合金表面氧化膜的物相、成分、形貌,以及在氧化层截面上各组元的线和面分布状态。结果表明,随着制备温度的升高,合金表面MnCr2O4尖晶石逐渐增加,其形貌由针状逐渐变为颗粒状,颗粒尺寸小于1μm;氧化膜的总厚度为7μm,由外向内分别为MnCr2O4尖晶石、Cr2O3和SiO2 3层。

热处理对加Al改性HP40合金组织的影响

通过光学显微镜和电子探针研究了热处理对含铝(质量分数)5%～10%的HP40合金组织的影响。结果表明:选择合适的热处理工艺,能使铸态合金中的沉淀相均匀析出;当固溶温度较高时,可观察到析出相非常均匀且尺寸较小。在1220℃及其以上温度固溶处理时,合金中的沉淀相才能完全固溶于基体。

预氧化HP40合金表面催化结焦的研究

为研究不同的表面状态对HP40合金表面催化结焦的影响,分别以水蒸气、空气为预氧化气氛,对HP40合金试样进行了不同温度的氧化处理以及氧化后结焦实验。利用XRD,SEM,TEM对氧化层和焦炭的形貌进行了表征,采用元素分析仪和拉曼(Raman)光谱仪对焦炭的碳氢比和结构进行了分析。结果表明:合金试样经水蒸气氧化后,表面形成了针状、富铁氧化物;经空气氧化后,表面形成颗粒状、致密的富铬氧化物,随氧化温度升高部分试样的氧化层出现了剥落,剥落后的疏松、多孔表面对催化结焦有强烈的促进作用。焦炭主要为典型的催化丝状焦,焦丝的直径约80 nm,还含有少量的热裂解焦;焦炭缩合度较高,由有序状炭和无序状炭共同构成,且石墨化程度低。不同的预氧化气氛对合金表面氧化状态影响较大,但是对后续结焦过程,焦炭的形貌和结构无明显影响。

改性HP40合金碳化物析出规律的热力学计算

利用Thermo-Calc热力学计算软件和与之相应的铁基合金数据库,计算了改性HP40合金中可能析出的平衡相及铌、钛和钨成分改变时对碳化物析出规律的影响,并计算了碳化物的平衡化学成分,以期为发展高稳定性的改性HP40合金提供理论依据。结果表明:铌和钛是MC型碳化物的主要形成元素。随着铌和钛含量的提高,MC型碳化物的最大析出量增加,M_(23)C_6型和M_7C_3型碳化物的最大析出量减少,MC型和M_(23)C_6型碳化物的开始析出温度升高。钨元素在高温时主要分布在γ基体中,在服役温度下长期时效,钨从γ基体向M_(23)C_6型碳化物不断偏聚。随着钨含量的提高,M_7C_3型碳化物的最大析出量减少,M_(23)C_6型碳化物的开始析出温度及M_7C_3相向M_(23)C_6相转变的温度均显著升高。

HP40合金在H2_O/H_2和空气中氧化行为的研究

在H2O/H2和空气的状态下,HP40合金试样表面氧化出不同的复合氧化层,对比研究在不同的氧化条件下试件表面氧化物的组成。用XRD、EDS和SEM分别对两种环境下的试样表面氧化层的情况进行了对比分析。结果表明,在H2O/H2气氛下,试样表面生成了包含尖晶石的氧化层,随温度的升高,由针状变为颗粒状;在空气条件下,随着温度升高,形成了致密颗粒状富铬氧化物,并且逐渐长大,部分高温氧化下,试样表面氧化层出现了剥落。不同氧化对HP40钢表面氧化影响较大,不同金属氧化物在氧分压不同时,表现出稳定性不同。

预氧化对HP40合金(含铱和不含铱变种)的周期焦化和抗渗碳的影响

预氧化结果表明在高温氧化后对合金上附着的鳞片稀土元素起重要的作用。钇变种的附着较好的鳞片可以优质的循环焦化和防渗碳。这是因为能防止快速离子扩散的整体氧化铬层能延缓经预氧化的合金外部催化的焦化和内渗碳。对铸态合金已检测到严重的焦化和渗碳,也观察了预氧化试样,它的鳞片会严重剥落。

铝对HP40合金高温抗氧化性能的影响

采用增重法研究了w（Al）=5％～10％的HP40合金在1200℃×30h空气中的抗氧化性能。结果表明，铝可显著提高合金的高温抗氧化性能，而且合金的高温抗氧化性能随铝含量增加而提高。1200℃时，合金氧化增重与氧化时间的关系呈抛物线规律，氧化速率随氧化时间延长而逐渐下降。加入铝，改变了合金氧化膜层的物相组成和致密度，含铝合金的氧化层中含有Al2O3，而且Al2O3量随铝加入量增加而增多。

稀土元素微合金化提高HP40合金高温抗氧化能力研究

通过扫描电子显微镜(SEM)、X光电子能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)等手段分析了稀土元素的添加对HP40合金抗高温氧化能力的影响。1100℃氧化120h后增重最小的试样(HP40+Y)单位面积增重约为16.24g/m2,远低于未添加稀土元素试样在相同条件下的氧化增重(36.45g/m2),表明稀土元素的添加有效提高了合金的抗氧化能力。对试样氧化膜内部组成结构的分析发现,添加稀土元素后氧化膜表面存在一层完整的尖晶石氧化物,而未添加稀土元素的试样氧化后表层尖晶石不连续。另外,稀土元素促进了硅的内氧化,这种内氧化产物钉扎基体,增大了氧化膜与基体的接触面积,改善了氧化膜与基体界面的结合强度。

稀土元素对HP40合金预氧化行为的影响

采用声发射技术原位检测稀土元素改性HP40合金经过不同氧化时间后,氧化膜在降温过程中的剥落行为。结果表明,添加稀土元素的合金经过1h预氧化后氧化膜结合强度并未得到明显提高。随着氧化时间的延长,稀土元素促进合金的内氧化,进而提高了氧化膜与基体界面结合强度。通过BSE观察发现,稀土元素促进氧化膜与基体界面内氧化产物(氧化硅)的形成。同时这种氧化硅提高了氧化膜结合强度,进而改变了氧化膜的剥落形式。

HP40Nb合金钢高温劣化的非线性超声评价

耐高温合金材料在服役过程中会发生高温劣化,主要表现为微观组织结构的变化,从而导致在其中传播的超声波能产生显著的高次谐波。针对HP40Nb合金钢材料高温劣化的检测及评价,提出采用归一化超声纵波非线性参量来表征材料的高温损伤状态。对HP40Nb损伤试样进行了非线性超声信号的测量结果显示,归一化超声纵波的非线性参量随着材料高温加载时间呈现出显著的上升-平稳-下降趋势。对材料微观组织演化过程进行了扫描电镜(SEM)的观察和分析,结果表明,超声非线性参量在早期阶段的上升与HP40Nb材料高温加载过程中相等第二相的析出和聚集密切相关;其在后期阶段的下降归因于析出相的减少和脱落以及微孔洞的产生。由此可见,非线性超声对HP40Nb材料高温劣化后微观组织的变化非常敏感。

Nb含量对制氢转化炉管HP合金组织转变规律影响的研究

离心铸造的HP40和HP40-Nb合金被广泛用作制氢转化炉炉管材料,通常管壁温度可高达1000℃。通过观察HP40和HP40-Nb合金在原始铸态和高温状态下的显微组织,研究了不同Nb含量对合金共晶组织稳定性的影响。采用扫描电镜和X射线衍射仪研究了炉管材料的显微组织和相结构。研究结果表明：在碳含量0.4%左右的HP合金中,Nb含量0.210%-0.357%时主要起到固溶强化作用,共晶碳化物主要是M7C3,仅有少量的富Nb共晶MC散布在晶界上;当Nb含量0.89%-1.55%时,HP40-Nb原始铸态组织中析出了富Cr的M7C3碳化物和富Nb共晶MC。对于高温状态下的HP40-Nb合金,在晶界和枝晶间形成的富Nb共晶的MC提高了原始共晶组织的稳定性,使得炉管材料的使用温度可向高温推移。

时效处理对离心铸造高温合金炉管HP40Nb的组织影响

本文采用OEM和XRD对经过1050℃不同时效时间处理的离心铸造高温合金炉管HP40N进行了分析,分析结果表明:HP40Nb炉管基体组织为奥氏体,析出的主要碳化物为Cr23C6和Nb C。随着时效时间的增加,Cr23C6碳化物析出量明显增加,其形态由骨架状变为网链状。而Nb C碳化物随着时效时间的增加其析出量和形态几乎不发生变化。