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奧氏體耐熱310S不銹鋼的研究現狀

來源: 發布時間:2021-04-13 次瀏覽

材料的選擇

奧氏體耐熱鋼是接收容器的最佳候選材料。310S不銹鋼具有耐高溫性能最佳的奧氏體耐熱鋼之一。其含有較高的鎳成分,在服役溫度到室溫下均為奧氏體結構,具有良好的加工性能和焊接性能;同時其含有較高的鉻、硅含量,在高溫時形成FeO×Cr2O3、FeO×Fe2O3FeCr2O4等氧化膜,具有優異的抗高溫氧化性能。310S不銹鋼一般用于制造各種爐用構件和耐高溫設備,可用于火電站鍋爐、石油精煉裝置、高溫爐膽、核電管道等設備上,因此選用310S不銹鋼作為制造接收容器的原型材料。但是310S不銹鋼在高溫下主要依靠固溶強化,強化方式有限,在受到1100℃的工業廢料熱沖擊時,因強度不足而易產生軟化現象,進而導致接收容器變形或開裂。因此,如何在保持310S不銹鋼良好的高溫持久性能、抗氧化性能和耐腐蝕性能的基礎上,提高其高溫(~1100℃)瞬時強度,是研制接收容器材料的關鍵。

已有研究表明,在310S不銹鋼中適當添加高溫穩定的MX相形成元素,使其在服役溫度下通過MX相形成析出強化,可以有效提高材料的高溫瞬時強度?;诖?,本研究提出在310S基礎上添加一定的Nb,在高溫下形成富NbMX相,以提高材料的高溫瞬時強度。

奧氏體耐熱鋼的研究現狀

奧氏體耐熱鋼的發展主要受火力發電鍋爐對材料性能需求的驅動。20世紀70年代能源危機以來,燃料成本急劇增加,全世界開始了通過提高鍋爐的蒸汽溫度和壓力來降低發電成本的研究,如圖1.2所示為日本火力發電站蒸汽溫度和壓力的發展過程,可以看出為提高能源利用效率鍋爐蒸汽溫度和壓力不斷提升。

隨著發電技術的發展和節能減排目標的需要,發展超超臨界鍋爐技術是全世界范圍的共識。為了將310S不銹鋼應用到發電站鍋爐過熱器和再熱器部件,提高鋼的抗高溫蠕變性能和和抗高溫氧化/腐蝕性,開展了相關研究工作。日本住友鋼鐵公司通過向310S耐熱鋼中加入Nb、N元素,降低C元素開發出了HR3C鋼。HR3C中彌散析出的M23C6NbCrN增強了HR3C的蠕變性能而且在長時間的蠕變階段σ相的析出得到了抑制[12],研究結果表明:加入NbNHR3C310S不銹鋼蠕變壽命提高了一百倍。因此HR3C在全世界的火電站大量服役,并被納入美國的ASTM標準。此外,Sandvik公司通過在310S基礎上加入Co、W、CuNb元素得到sanicro25鋼;SAVE25鋼是在310S基礎上加入Nb、VB提高材料的蠕變性能。不同文獻上310S耐熱鋼改進型的成分如表1.1所示。

奧氏體耐熱鋼的發展是在完全均一化得奧氏體組織及保持其他性能不下降或者略微下降情況下,使材料的綜合性能或某項性能得到提升。目前對310S奧氏體耐熱鋼的研究主要在如下幾個方面:

1) 調整合金成分

通過微調合金成分來提高高溫強度或高溫耐蝕性能,如向310S耐熱鋼中加入N、W、Co等強化元素,通過固溶作用提升材料強度;加入Al等元素,提高材料的抗高溫氧化性能。

2) 調控基體組織和析出相

通過改變奧氏體加工工藝,如軋制工藝、熱處理工藝等,改變奧氏體基體晶粒度的大??;加入Nb、Ta等元素在合金中析出細小彌散的MX相,從而達到彌散強化效果。減少C元素以降低M23C6的析出,改善材料的抗腐蝕性能。向310S不銹鋼中加入Al,降低C在鋼中的擴散速度,使M23C6由連續鏈狀析出變成不連續和島狀析出,同時Al會在合金表面生成Al2O3調高材料的抗氧化性,但是它也會降低材料的韌性和持久性能。整體來講,結合310S的具體成分確定具體的工藝可有效的提高鋼的高溫瞬時強度和持久強度。


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