铝对奥氏体耐热钢的微观组织和力学性能的影响

铝对奥氏体耐热钢的微观组织和力学性能的影响为了减轻能源短缺和二氧化碳排放等问题带来的影响,提高能源利用率和电站锅炉蒸汽参数是其中最有效的途径。但是,电站锅炉用钢的性能一直是制约提高电站锅炉使用参数的主要因素。

当前电站锅炉使用的传统奥氏体耐热钢主要通过高温氧化过程中在表面形成的Cr₂O₃氧化膜来保证材料的高温抗氧化性能;当使用温度提高至650℃以上时,材料表面的Cr₂O₃氧化膜会挥发,晶界碳化物发生聚集导致材料失效。新型含铝奥氏体耐热钢表面形成的铬、铝复合氧化膜在高温下较为稳定,同时,晶粒内部析出纳米级的NbC强化相也会显著提高材料的高温蠕变强度,使新型含铝奥氏体耐热钢成为新一代超（超）临界火力发电机组关键部件的候选材料。

本论文新设计了三种不同Al含量的新型含铝奥氏体耐热钢,对经过固溶处理的含铝奥氏体耐热钢在620℃、650℃、700℃和750℃时效不同时间,使用OM、XRD、SEM-EDS以及EBSD等设备对其时效后的显微组织进行观察,研究含铝奥氏体耐热钢的时效析出行为以及Al含量对含铝奥氏体耐热钢结构稳定性的影响;同时,对含铝奥氏体耐热钢进行显微硬度测试、时效后常温拉伸、固溶后高温拉伸,探究时效后析出相以及使用温度对含铝奥氏体耐热钢力学性能的影响;对固溶处理后的含铝奥氏体耐热钢进行高温热压缩试验,得到不同变形条件下的应力应变曲线,结合变形组织观察,研究Al含量对流变应力与组织演变的影响,主要结论有以下几点:（1）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;在750℃不同时间时效处理后,其析出相主要以δ铁素体相、σ相为主,时效开始阶段δ相首先析出于晶界,随着时效时间的延长δ相不断增多;时

效时间达9h时,晶界δ相呈网状,且晶粒内部也析出δ相;随着时效时间进一步延长,晶界δ相逐步转变为σ相,且晶粒内部δ相也不断增多。铝含量与时效温度对含铝奥氏体耐热钢时效析出行为影响较大;铝含量越多,δ铁素体相的析出越快,相转变速度越快,析出相的数量越多。

（2）时效处理对含铝奥氏体耐热钢的强、韧性影响明显,时效时间越长,影响越明显。时效处理后常温下进行拉伸,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72h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则与强度的变化规律一致。高温下进行拉伸,温度较低时,晶界与晶粒内部析出相共同作用对材料起到一定的强化作用,这导致材料强度提高,塑性降低;但是随着温度的逐渐升高,高温下拉伸过程中软化机制起到主要作用,材料的强度显著降低,塑性提高。

（3）含铝奥氏体耐热钢热压缩后,变形孪晶会在压缩的过程中出现,孪晶界以及晶界会析出第二相δ-铁素体相;其中,变形量越大,析出相越多;铝含量越多,晶界上析出相越多,阻碍晶粒变形,导致不断产生变形孪晶,之后晶界析出相的析出与变形导致变形孪晶变为小晶粒,晶粒尺寸逐渐减小;不同的变形速度则会使热压缩过程中的变形机制也有所不同。