含Al奥氏体耐热钢的强化机制及高温性能研究

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超超临界火电机组的工作环境要求新型含Al奥氏体耐热钢具有优异的高温蠕变性能和高温抗氧化性能。本文研究了等温时效、退火处理以及冷变形对AFA钢高温蠕变行为的影响,构建了 700℃下外加应力与AFA钢稳态蠕变速率的本构方程,阐明了冷变形对AFA钢高温氧化行为的影响。研究了等温时效、退火处理以及冷变形对AFA钢高温蠕变行为的影响,结合蠕变前、后微观组织的变化,分析了 AFA钢的强化机制。结果表明:1000 h时效试样、1230℃退火试样以及冷变形试样分别是三种对应处理方式中高温蠕变性能最优异的试样,它们的稳态蠕变速率分别为1.54×10-6s-1、1.61×10-6s-1以及4.5×l0-10s-1,相比之下,冷变形试样具有最优异的高温蠕变性能。在蠕变过程中,位错处形成的纳米析出相可以有效地钉扎位错,维持试样中的位错密度;而位错反作用于析出相,降低析出相的粗化速率。这种位错缺陷绕过纳米析出相的Orowan机制是提高AFA钢蠕变性能主导机制。分析了AFA钢在700℃、外加应力为70~160MPa下的蠕变行为,结合幂律方程构建了应力与稳态蠕变速率的本构方程。结果表明:在外加应力为70~160 MPa 下,AFA钢的稳态蠕变速率与外加应力满足幂律关系。在高应力下(130 MPa和160 MPa),本构方程的预测值与实际测量值的误差很小,可以科学预测AFA钢在130~160 MPa应力下的蠕变行为。但在较低应力下(70 MPa和92 MPa),本构方程的预测值与实际测量值的误差很大,这与蠕变激活能有很大关系。为了评估冷变形对AFA钢高温抗氧化性能的影响,本文研究了在700℃的干燥空气下AFA钢原始试样和冷变形试样的高温氧化行为。结果表明:在初始氧化阶段,原始试样和冷变形试样的表面形成相似的氧化物。随着氧化时间的增加,外氧化层的逐渐剥落使得Al2O3内氧化层成为主要的氧化层,有效地阻碍了氧气向基体内的扩散和孔洞的扩展。值得注意的是,冷变形引入的位错加速了 Al从合金基体向Al2O3氧化层表面的扩散,促进了 B2-NiAl相的析出,保证了 Al2O3氧化层的连续形成。
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