Fe-15Cr-27Ni-4Al-2Mo-0.6Nb奥氏体耐热钢的热变形行为

利用Gleeble-3800型热-力模拟试验机对一种新型含铝奥氏体耐热钢Fe-15Cr-27Ni-4Al-2Mo-0.6Nb进行了单道次热压缩实验,研究了其在900~1200℃和0.001~10 s^(-1)条件下的热变形行为,并观察了变形后的微观组织。通过五次多项式拟合,建立了考虑应变量的改进型本构模型,并对其准确性进行了验证。结果表明:在热变形过程中,材料的流变应力与变形温度负相关,且温度越低,应力增加越明显;而流变应力与应变速率之间的关系则是正相关。动态再结晶体积分数随变形温度的升高而逐渐增大。用改进型本构模型计算所得的流变应力值与实验所得的流变应力值吻合较好。预测值与实验值的相关系数为0.99076,平均相对误差为6.68%,说明采用该模型预测新型含铝奥氏体耐热钢的流变行为具有较高的可靠性。

热处理工艺对AFA耐热钢组织和力学性能的影响

为考察热处理工艺对AFA耐热钢组织和力学性能的影响,本文利用光学显微镜、扫描电镜、X射线衍射等技术,研究了新型含铝奥氏体耐热钢(AFA)在不同保温温度和冷却方式下的组织演变规律及力学性能的变化。结果表明:加热温度和冷却方式对试样的显微组织均产生影响。随着保温温度的升高,晶粒的平均尺寸逐渐增大。在1150和1200℃保温冷却后,空冷试样的晶粒尺寸略大于炉冷试样。不同温度下保温冷却后,析出相在晶内和晶界均有分布,晶内析出相形状变为圆形或颗粒状,晶界处变为长条状,但种类并未发生改变。析出相的平均尺寸随着保温温度的升高而增大。在1200℃下炉冷后,析出相的平均尺寸、面密度和晶界覆盖率均高于空冷,此时炉冷试样的硬度值达到170 HV,高于空冷,但抗拉强度和延伸率较低,分别为680 MPa和13.04%。

含铝节镍型奥氏体耐热钢(AFA钢)的热变形行为与热加工图

为了预测含铝节镍型奥氏体耐热钢(AFA钢)的热变形行为,利用Gleeble-3500热力模拟试验机对AFA钢进行了温度950~1150℃、应变速率0.01~10 s^(-1)、真应变为0.51~1.2的高温热压缩试验,构建了本构方程,并建立了热加工图。结果表明,在同一应变速率下,随着变形温度的升高,AFA钢的流变应力逐渐降低,在同一变形温度下,随着应变速率的增加,流变应力随之增加。在真应变为0.69(变形量为50%)下,预测应力与实际应力的线性相关系数R2为0.99853,随着应变的增加,材料的失稳区域先减小后增大,集中于低温区;高效率区域变大,且高效率区域集中于变形温度为1100~1150℃、应变速率为0.01~0.1 s^(-1)之间,说明AFA钢适合在高温低应变速率的情况下进行热加工。

含铝奥氏体耐热钢在超临界二氧化碳中的腐蚀行为

研究了20Cr-25Ni合金和一种新型结构材料含铝的奥氏体耐热钢(AFA钢)在600℃/20 MPa的超临界二氧化碳(S-CO_(2))环境中的腐蚀行为,并对2种合金的氧化膜形貌、成分和结构进行分析。研究发现,20Cr-25Ni合金出现明显的腐蚀增重增长趋势,表现出“抛物线”上升规律;AFA钢腐蚀增重趋势缓慢,腐蚀1000 h后仅为2.11 mg/dm^(2)。20Cr-25Ni合金表面出现粗大的氧化产物,随腐蚀时间延长,AFA钢的氧化膜始终保持致密、连续。通过氧化膜的截面形貌分析发现,20Cr-25Ni合金腐蚀后具有两层氧化膜结构,主要由Fe_(3)O_(4)和FeCr_(2)O_(4)氧化层以及少量尖晶石组成。而AFA钢中出现了3层氧化膜结构,中间和最内层分别为Cr_(2)O_(3)和Al_(2)O_(3)氧化膜,最外层分布了一层不连续的FeCr_(2)O_(4)尖晶石氧化物。由于形成了致密的Al_(2)O_(3)氧化膜,AFA钢的抗腐蚀性能大幅提升。

时效处理对新型耐热钢组织及力学性能的影响

新型含铝奥氏体耐热钢(AFA)在650~700℃温度范围内,具有组织稳定、高温性能优异以及制备成本较低等优点而成为超超临界火电机组的候选材料。为了系统阐明新型含铝奥氏体耐热钢在700℃下的第二相短时析出行为及与力学性能的关系,采用时效热处理、第二相析出粗化模型和综合力学试验相结合的方法,分析了700℃短时(≤500 h)时效对新型含铝奥氏体耐热钢Fe-18.4Cr-31Ni-1Nb-2.9Al(质量分数,%)的微观结构和力学性能的影响。研究结果表明,Laves相和B2-Ni Al相尺寸会随着时效时间的延长而逐渐增大。当时效至20 h,Laves相开始沿晶界析出,随着时效时间的延长,其尺寸粗化并覆盖晶界。相比之下,100 h时B2-Ni Al相在晶内析出,并由短棒状长为针状。随着时效时间从100 h延长至500 h,Laves相和B2-Ni Al相的平均尺寸从449 nm增加到706.9 nm。用Lifshitz-Slyozov-Wanger(LSW)粗化模型理论定量分析Laves相和B2-Ni Al相粗化动力学和等温时效时间的关系。计算得析出相的粗化速率k为1.9258×10^(-27)m^(3)/s,表明Laves相和B2-Ni Al相的长大速率由溶质原子扩散所控制。基体中Laves相和B2-Ni Al相的析出导致硬度和高温拉伸性能的增强。0~500 h,硬度持续增加,而抗拉强度先增加后降低。这是由于在0~200 h,Laves相和弥散的B2-Ni Al相析出,而200~500 h,B2-Ni Al相长大,使得抗拉强度降低,而伸长率增加。与未时效状态的抗拉强度528 MPa,伸长率76%相比,500 h时效后,其抗拉强度增至579 MPa,伸长率为52%。

新型含铝奥氏体耐热钢中合金元素作用机制研究现状

为了提高火力发电站的发电效率,有效降低环境污染,需要提高发电机组的工作温度和工作压力。这就对结构用钢提出了更高的要求,令其不仅要在含水蒸气的环境下具有良好的抗腐蚀能力,还要满足高温环境对力学性能的要求。新型含铝奥氏体耐热钢(AFA钢)能在高温下形成连续、致密的Al_(2)O_(3)层,具有比Cr_(2)O_(3)层更好的保护作用;同时,AFA钢基体中会析出MC、Laves和L1_(2)-Ni_(3)Al等多种沉淀相,可有效提高抗蠕变性能,因此AFA钢有望用于火力发电站机组。分析了合金元素添加对AFA钢组织演变、析出相的影响规律,阐述了合金元素在抗蠕变和抗氧化方面的作用机制,并对未来AFA钢合金元素的调整方向作出展望。

新型含铝奥氏体不锈钢在超临界水环境下的腐蚀行为

为了丰富含铝奥氏体不锈钢(AFAs)在超临界水环境下的腐蚀行为研究数据,支持超临界水冷堆(SCWR)包壳材料评估工作,本研究对自主设计的AFAs进行600℃/25 MPa的超临界水腐蚀实验,结合微观分析表征手段分析其腐蚀行为。结果表明,本研究所用AFAs在腐蚀1000 h后的增重达34 mg/dm^(2),约为相同条件下的310S钢的腐蚀增重的一半。AFAs表面形成了双层氧化物,外层主要为Fe_(2)O_(3)和富Ni尖晶石,内层主要为Cr_(2)O_(3)。氧化铝以离散的颗粒形式存在于内层,阻碍扩散过程的同时可以作为Cr_(2)O_(3)的形核位点,促进Cr_(2)O_(3)的形成。因此,本研究所用AFAs在该实验条件下表现出优异的耐腐蚀性能。

Al含量对奥氏体耐热钢析出相和力学性能的影响

本文利用光学显微镜(OM)、X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)配合能谱仪(EDS)分析了添加1.5、2.5和3.5wt.%Al的Fe-22Cr-25Ni奥氏体耐热钢在1023K时效不同时间后的显微组织和析出相变化规律,并对比分析了时效处理对拉伸力学性能的影响。研究结果表明:含铝奥氏体耐热钢固溶处理后的组织由奥氏体与微量细小的NbC相组成。铝含量对奥氏体耐热钢析出相稳定性影响较大,含铝奥氏体耐热钢在1023K时效后析出相主要为δ-铁素体相、σ-相和NbC相。添加1.5 wt.%Al试样时效后晶界析出σ-相,晶内析出NbC相。当铝含量达到2.5和3.5 Wt.%时,时效后δ-铁素体相开始在晶内析出,晶界处δ-相随时效延长部分转变为δ-相,且析出相数量随着Al含量增加呈上升趋势。时效处理后试样的抗拉强度明显高于固溶处理试样,而延伸率却显著降低,尤其时效时间为72 h试样,这与晶界上呈网状分布的σ-相相关;同时耐热钢的强度随着Al含量的增加不断提高,塑性不断降低。材料的硬度的变化规律与强度的变化规律一致。

基于S35140钢的超低碳成分设计和力学性能研究

S35140钢是一种基于25Ni-20Cr的奥氏体耐热钢,为了获得高强度,通常会提高碳含量,但碳含量较高不利于高温时效稳定性和长期耐腐蚀性能。本文在S35140钢的基础上,大幅度降低碳含量,并通过调控N和Nb等微合金元素含量,以及加入Ti元素,促使析出新的强化相,弥补减少碳含量所导致的强度降低。同时引入一定量的Al元素,增强S35140钢的高温强度和抗氧化性能。研究表明,加入微量Nb, N,Ti元素的热轧态实验钢析出了氮化物和细小的Laves相,这些析出相具有较强的强化作用,使其拉伸性能不亚于具有较高碳含量的S35140钢;加入4.7%Al(质量分数)元素后,实验钢的基体中出现了铁素体和奥氏体双相组织,同时析出大量B2-NiAl相,使其室温和高温拉伸强度以及室温韧性均高于其它成分的实验钢。

1.20%铝冷轧TRIP钢的合金设计、工艺和力学性能

报道了含1.2%Al-0.1%C-Mn-Si冷轧TRIP600钢带的研究开发结果,通过合金设计、冶炼、热轧、冷轧和热处理在实验室成功地制备了TRIP600钢带,其屈服强度为390-420 MPa、抗拉强度650-700 MPa,伸长率30.5%-37.5%,强塑积21000-26000 MPa.%。作为热处理工艺设计的基础,通过Thermo-Calc软件计算了试验钢的相图、相组成、贝氏体转变TTT曲线和T0温度线。含质量分数为1.20%铝的冷轧TRIP600的成分设计和工艺参数可以作为工业试生产TRIP600的基础。

铅冷能源系统中液态金属与铁基合金相容性的研究进展

核电是一种可以有效解决能源与环境问题的清洁能源,受到国际上的广泛重视。目前的商用堆以第二代及第三代热中子反应堆为主,存在铀资源利用率低、放射性废物不断积累和潜在的核安全等问题,故具有更高安全性和经济性的第四代核能系统的研究成为当前的热点。四代堆中采用液态铅或铅基合金作为主冷却剂的反应堆称为铅冷快堆,由于液态铅及其合金具有优异的热工性能及核物理性能,铅冷快堆被认为是最有希望率先得到应用的第四代反应堆之一,液态铅也是加速器驱动次临界系统重要的液态靶材料兼冷却剂。此外,液态铅也被认为是太阳能热电系统最有前景的能量交换介质之一。铅冷堆具有可在较高温度条件下运行、发电效率高等明显优势,但也由于堆内的服役温度和中子辐照强度较高,对关键结构材料的服役性能提出很高要求。尤其是大多数合金在液态铅中都会由于合金元素的选择性溶解带来明显的腐蚀问题,结构材料与液态铅的相容性问题是铅冷能源系统工程应用的重要瓶颈。堆内的腐蚀情况包括材料的溶解和氧化、固液两相的输运以及腐蚀产物和杂质之间的反应等,是一个复杂的过程。腐蚀行为的影响因素包括材料自身特点及外界因素,例如材料类型、微观结构、化学成分和表面状态以及冷却剂类型、温度、氧浓度、流速和腐蚀时间等都会对腐蚀产生重要的影响。本文针对制约铅冷能源系统用结构材料发展的基础核心问题,把握材料成分和显微组织特点与其在液态铅中的溶解和氧化问题之间的关系这一主线,就国内外关于液态铅对合金的溶解腐蚀基础问题,金属及非金属腐蚀抑制剂的发展,不锈钢、氧化物弥散强化(ODS)钢、含Al奥氏体耐热钢(AFA)及FeCrAl合金在液态铅基中的腐蚀行为等研究内容进行总结和分析,对影响腐蚀的因素进行归纳,列举材料的腐蚀过程和机制以及相应的腐蚀产物和结构,分析各元素在腐蚀过程中对氧化层的作用及扩散迁移模式,并对存在的问题进行总结和展望,为满足铅冷能源系统关键结构材料的发展提供依据和参考.