1.5 本章小结与展望
随着环境污染和能源短缺问题日益加剧,在传统火电机组向超超临界火电机组发展的趋势下,由于新型含铝奥氏体耐热钢具有优异的高温抗蠕变性能给和高温持久强度,成为了新一代超超临界火电机组最有发展潜力的材料。本章从新型含铝奥氏体耐热钢的发展历程、各种合金元素的作用机制及设计原则、高温强化机制和合金基体中的第二相等方面对新型含铝奥氏体耐热钢进行了详细的介绍和总结。
1)新型含铝奥氏体耐热钢最初是由高温超细沉淀强化奥氏体不锈钢(HTUPS)为基,向合金基体中添加2.5%Al元素,并调整了Nb、Ni、Ti、C等元素的含量得到的。后国内外学者通过调整基础合金以及合金元素的加入量,不断研发出了许多种具有优异高温蠕变性能和高温持久强度的新型含铝奥氏体耐热钢。目前用于超超临界火电机组的AFA钢的主要发展方向和调控思路是以Super304H、HR3C和TP347HFG等合金为基,进一步调整Al、Si、N、Ni等合金元素含量,以获得更加优异的高温蠕变性能、高温持久强度和高温抗氧化性能。
2)向新型含铝奥氏体耐热钢合金基体中添加不同合金元素,对合金的性能具有不同的影响。向合金中加入Ni、C、Mn、N等强奥氏体形成元素,能有效地稳定奥氏体组织,扩大奥氏体区,获得完全的奥氏体组织。从而使新型含铝奥氏体耐热钢具有良好的强度、硬度、塑韧性以及热力学稳定性。向合金基体中加入Al、Si、稀土元素等能提升抗氧化性能的合金元素,能促进合金表面氧化膜的形成,可显著提高钢的抗氧化性能和高温耐蚀性能。而向合金基体中添加Nb、Ti、V等强碳化物形成元素时,这几种合金元素与C元素结合形成MC型碳化物,弥散分布在合金基体中,能够有效地提升新型含铝奥氏体耐热钢的高温蠕变性能。因此在对AFA钢进行成分设计时,在尽量控制成本的前提下,通过调控各种合金元素的加入量,使合金获得优异的高温力学性能、高温抗氧化性能和高温蠕变性能。
3)新型含铝奥氏体耐热钢的强化机制大致分为:固溶强化、位错强化、晶界强化、第二相强化、细晶强化和弥散强化。通常情况下几种强化机制共同作用,产生多元复合强化效果使合金获得优异的高温性能。
4)新型含铝奥氏体耐热钢中的第二相通常有:MC型碳化物、Laves相、B2⁃NiAl相、γ'相、σ相和M23C6相等。这些第二相细小弥散地分布在合金基体中,与位错产生交互作用,对位错运动产生阻碍,从而提高合金的变形抗力,提升合金在高温下的持久强度和蠕变性能。第二相能够有效阻碍位错运动,而对位错运动的阻碍程度与第二相的析出位置、尺寸和体积分数等息息相关。第二相的尺寸越小、分布越弥散、体积分数越大,对位错运动的阻碍作用越明显,越能提升材料的高温持久强度和高温蠕变性能。
新型含铝奥氏体耐热钢高温蠕变是一个较为复杂的过程,在涉及新型含铝奥氏体耐热钢的合金成分设计、工艺参数和强化机制等方面仍需做出大量研究。未来关于改善新型含铝奥氏体耐热钢的高温蠕变性能方面的研究,需要在成分优化、合金元素和制作工艺方面做出更深入的研究,还需要更加明确新型含铝奥氏体耐热钢的高温变形行为及强化机制、第二相及其变化规律对新型含铝奥氏体耐热钢性能的影响。