随着航天航空、能源动力、石油化工、电力冶金等行业的不断发展和需求,催生了品种繁多的高温材料,并对高温材料提出了更加苛刻的要求,即足够的化学稳定性、优异的高温力学性能、良好的制造性能以及适当的经济可行性等。

HP40Nb因具有较好的机械性能、耐腐蚀性能以及良好的铸造性能、机加工性能和焊接性能,已成功地应用于石油化工、冶金、建材等行业。如石化行业中的乙烯裂解炉管、制气转化炉管,钢铁冶金行业中的炉底辊、辐射管等,建材行业的玻璃托棍等。虽然该合金已通过微合金改性等措施,如利用NbTi等强碳化物元素起到细化晶粒、固溶强化和弥散析出强化等作用,利用ZrB及稀土(如常见的Ce)等通过净化和修复而强化晶界,显著提高了高温持久塑性。但其使用寿命远低于设计寿命,失效形式主要表现为高温蠕变损伤、氧化损伤以及渗碳损伤等。本论文通过加Al元素,希望通过固溶强化来提高该材料的高温强度、高温抗氧化能力,延长材料的使用寿命。通过研究,得到以下结果:

1、通过实验室条件下的研究,得到Al改性合金组织和性能的变化规律,即Al元素始终固溶于基体相中,Al加入量在2-4wt.%区间,310S316L不锈钢的基体相没有发生变化仍为y相,Al含量在6-8wt.%区间基体相转变为α相。由于Al有抑制碳原子扩散的作用,加入AI元素后碳化物的扩散受到抑制,随着Al含量的增加这种抑制效果越发明显。固溶处理后,合金中的碳化物趋于球化。

Al2-4wt.%区间合金的硬度和屈服强度与未加入Al元素的合金相比,没有发生大的变化,Al含量在6-8wt.%区间合金的硬度和屈服强度增加了2.5倍左右,合金转变为脆性材料。

2、通过对含铝310S不锈钢合金高温力学性能和高温抗氧化性能的研究表明,合金的高温力学性能在Al含量为2%时最低并且低于未加Al310S钢,随着Al含量,的继续增加开始升高,Al含量为4%时略高于310S钢,Al含量为6%时达到最大值,随后开始降低。这是由于随着Al含量的增加基体转变为α相,导致高温强度降低。310S耐热钢含Cr量较高,Cr在高温时容易形成FeO-Cr2O3FeO-FezO和尖晶石结构(FeCrz04NiCr204)等保护性氧化膜。在1000℃以上Cr2O3的蒸汽压相当高,易挥发引起氧化膜的变薄,使得氧原子容易扩散到基体中,从而降低了合金的高温抗氧化性能。加入Al元素后,生成Al2O;保护膜,较CrzOs的更,容易生成,而且更加致密,随着Al含量的增加,合金氧化膜中的Al2O3随之增加,合金的抗氧化性能得到显著提高。

3、通过对含铝316L合金抗均匀腐蚀和抗晶间腐蚀性能的研究表明,Al元素能有效提高316L不锈钢的抗腐蚀性能。316L不锈钢在酸性氧化性介质中形成的钝化膜主要是由CrFeNi0元素组成,钝化膜中的Cr是以Cr2O3CrOOHCrOHs等多种形态存在,氢氧的存在,使合金元素有可能结合水的形式存在钝化膜的表层,氢氧的结合可以组成以氢键相结合的交联溶胶式结构,提高了膜的再钝化能力。加入铝元素后,铝元素可以生成Al2O3保护膜,优于Cr2O3保护膜并且更容易生成。从而著提高合金的均匀腐蚀速率。由于Al元素能够抑制C原子扩散,减少基体中的贫铭区,从而提高抗晶间腐蚀性能。

通过以上研究,对于310S不锈钢Al含量为4wt.%改性合金具有较好的应用前景,合金的室温组织和力学性能、高温强度没有发生明显变化、高温抗氧化性能明显提高。对于316L不锈钢Al含量为2wt.%改性合金具有较好的应用前景,合金的室温组织和力学性没有发生明显变化,抗均匀腐蚀和抗晶间腐蚀性能得到显著提高。