护环用改进型超高氮奥氏体钢的铸态组织及热变形行为

摘要

大型发电机转子护环广泛采用高氮铬锰奥氏体不锈钢制造，目前主要有P900（18Mn18Cr0.5N）和P2000（16Cr13Mn3Mo0.9N）两个品级。由于这类钢的合金元素种类多、含量高，热锻成形过程中易出现表面开裂、晶粒粗大或者混晶等问题，从而大大影响了护环的成品率和生产效率。微合金元素Nb和V在高强度低合金钢及非调质钢等领域的应用已十分普遍，通过高温加热或变形过程中微细第二相的析出来抑制晶粒的过分长大。然而，元素Nb和V在护环用高氮奥氏体钢（如P900）和超高氮奥氏体钢（如P2000）等高合金钢领域的应用报道很少，这些元素的添加对护环用钢铸态组织及热变形过程中的组织演变规律的影响是否还有与在低合金钢中类似的作用，尤其它们对超高氮奥氏体钢的热加工性、耐蚀性及力学性能会有哪些影响，迄今尚不十分清楚。
　　本文采用热力学方法计算了一种含铌钒超高氮奥氏体钢的伪二元平衡相图、不同温度下各相的摩尔分数及合金元素组成，用示差扫描量热分析（DSC）、光学金相（OM）、X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、能谱分析（EDX）及电解萃取等方法研究了该钢的铸态组织特性及热变形过程中的组织演变规律，取得如下主要研究结果：
　　获得了含铌钒超高氮奥氏体钢的伪二元平衡相图，其液相线和固相线理论值分别为1440℃和1310℃，MX型微合金碳氮化物从液相、δ铁素体和γ中析出温度的理论值分别为1440℃、1310℃和1250℃，Cr2N、σ相和M23C6析出温度的理论值分别为1080℃、931℃和907℃，室温下平衡组织为（γ+MX+ε+M23C6+σ）。实测的δ铁素体析出温度为1265℃，奥氏体开始溶解的温度为1345℃，液相线以及MX型碳氮化物析出温度的实测值与理论计算值基本一致。
　　获得了平衡条件下含铌钒超高氮奥氏体钢中各平衡相的摩尔分数与温度的关系，得到了每个平衡相中各元素组成及其随温度的变化规律。
　　铸态含铌钒超高氮奥氏体钢的显微组织主要由奥氏体和(Nb,V)N组成。不规则块状和团絮状的(Nb,V)N多分布于奥氏体晶界及三叉晶界，球状和不规则块状的(Nb,V)N多分布于晶内。
　　含铌钒超高氮奥氏体钢在热变形过程中的动态再结晶主要包括项链动态再结晶与经典动态再结晶，应变速率较高时会发生项链动态再结晶。变形温度越高、应变速率越低，经典的动态再结晶越容易发生，且再结晶晶粒的尺寸也随之增大。含铌钒超高氮奥氏体钢热变形过程中的主要失稳形式为局部流变，失稳机制为流变集中。
　　含铌钒超高氮奥氏体钢热变形后在晶界及晶内出现大量细小的(Nb,V)N，晶内析出相多呈圆形，尺寸在0.22μm左右；晶界析出相多呈方形或不规则形状，约为0.52μm。
　　获得了含铌钒超高氮奥氏体钢的动态组织状态图和在不同应变量条件下的热加工图，其功率耗散率随着应变速率的降低与温度的提高而增大。当变形温度为1200℃、应变速率为0.001s-1、真应变为0.8时，功率耗散百分数达到最大值（60％）。
　　在加热温度为1200℃时，对于含铌钒超高氮奥氏体钢，建议的热变形工艺窗口为1050~1150℃及0.01~1s-1。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 选题背景

1.2 护环用高氮铬锰奥氏体钢的研究进展

1.3 护环用钢的冶炼及护环制造流程

1.4 护环锻造表面裂纹的预防与控制

1.5 热变形条件下钢的力学行为及其研究方法

1.6 本文的主要研究目的及内容

第2章 试验材料与方法

2.1 试验材料

2.2 相图计算和相变点测定

2.3 热变形过程的物理模拟

2.4 电解萃取

2.5 显微组织观察及物相分析

2.6 本章小结

第3章 含铌钒超高氮奥氏体钢的伪二元平衡相图

3.1 含铌钒超高氮奥氏体钢的伪二元相图及实测相变点

3.2 不同碳、铬和锰含量下的伪二元平衡相图

3.3 不同温度条件下的平衡相分析

3.4 主要合金元素在各相中的摩尔分数

3.5 含铌钒超高氮奥氏体钢溶度积的计算结果

3.6 本章小结

第4章 含铌钒超高氮奥氏体钢的铸态组织特性

4.1 含钒铌超高氮奥氏体钢的铸态组织形貌

4.2 铸态含铌钒超高氮奥氏体钢中的析出相

4.3 析出相体积分数

4.4 氮化物固溶度积

4.5 本章小结

第5章 含铌钒超高氮奥氏体钢热变形过程中的力学行为

5.1 含铌钒超高氮奥氏体钢的高温流变行为

5.2 含铌钒超高氮奥氏体钢热变形行为的热/力学表征

5.3 含铌钒超高氮奥氏体钢的热加工图

5.4 本章小结

第6章 含铌钒超高氮奥氏体钢热变形过程中的组织变化

6.1 含铌钒超高氮奥氏体钢热变形后的显微组织特性

6.2 动态再结晶晶粒尺寸与变形条件间的关系

6.3 含铌钒超高氮奥氏体钢的流变失稳机制与典型组织

6.4 含钒铌超高氮奥氏体钢力学性能

6.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢