超超临界火电用含铝奥氏体耐热钢抗氧化性能研究

摘要

超（超）临界火电是目前我国能源发电的重要方向，是涉及国家经济发展命脉的重大基础产业。随着发电机组向大容量、高参数方向的发展，对机组设备关键材料的性能要求也越来越高。因此迫切需要开发新型高温材料，满足超超临界火电动力设备管材的使用要求。火电机组用钢大多服役在高温、高压水蒸气或高温烟气的条件下，其所用材料应具有高的热强性、抗高温腐蚀和氧化能力。本文以Fe-18Cr-30Ni为基础，添加不同含量的Al、Nb合金元素设计了四组新型奥氏体耐热合金。通过热力学计算分析了复合氧化膜的形成条件，采用X射线衍射(XRD)、光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)和氧化增重法等手段系统地研究四组新型奥氏体耐热合金的高温氧化行为。结果如下:
　　四组合金经700℃、800℃和900℃氧化100h后均未出现氧化膜剥落现象，说明氧化膜在高温时没有失效。氧化增重拟合曲线均符合抛物线规律，在显著性水平α=0.01下使用t检验法检验，拟合效果显著。合金的平均氧化速率K+＜0.1g/m2.h，均属于完全抗氧化性级别。在700℃和800℃下，四组合金氧化100h后的平均氧化速率较为接近，而在900℃时合金的平均氧化速率差异明显，2＃(2.6Al0.2Nb)合金的平均氧化速率为0.012g/m2·h，低于其他三组合金。
　　1＃(3.2Al0.1Nb)、2＃(2.6Al0.2Nb)和3＃(2.1Al0.3Nb)合金在900℃时均形成了较为致密的Al2O3内层氧化膜，合金表面生成的复合氧化膜由内到外依次为Al2O3、(Al0.9Cr0.1)2O3、尖晶石氧化物Fe(Cr，Al)2O4。1＃(3.2Al0.1Nb)合金氧化过程中还形成了富(Cr，Fe)的混合氧化物，降低了Al2O3氧化膜的连续性。4＃（1.5Al0.4Nb）合金900℃并没有形成致密的Al2O3内层氧化膜，生成的复合氧化膜内到外依次为(Al0.9Cr0.1)2O3、尖晶石氧化物Fe(Cr,Al)2O4。
　　2＃(2.6Al0.2Nb)合金氧化结束后的氧化膜表面形貌较其他三组合金更为平整、均匀，表面颗粒状氧化物尺寸也最小。对比四组合金的氧化膜厚度，900℃时，2＃(2.6Al0.2Nb)合金的氧化膜厚度最薄为4.3μm;最厚的是4＃(2.6Al0.2Nb)合金，达到8.3μm。通过对氧化动力学曲线和氧化物稳定性的分析，2＃(2.6Al0.2Nb)合金具有最优秀的抗高温氧化性能。
　　经过力学性能实验表明，四组新型奥氏体耐热合金的力学性能均不低于Incoloy800H。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 国内外超超临界耐热钢的发展历程

1．2．1 超超临界的定义

1．2．2 超(超)临界火电机组的发展历程

1．2．3 超(超)临界火电机组常用耐热钢

1．3 金属氧化理论

1．3．1 高温氧化的基本过程

1．3．2 金属高温氧化理论

1．3．3 金属氧化膜理论

1．3．4 耐热合金的高温抗氧化性能研究进展

1．4 耐热钢的合金化

1．4．1 C、N元素

1．4．2 Cr元素

1．4．3 Ni元素

1．4．4 Mn元素

1．4．5 其他元素

1．5 本课题研究的目的和内容

1．5．1 研究目的

1．5．2 研究内容

第二章 实验材料、设备及研究方法

2．1 实验材料

2．1．1 合金材料的制备

2．1．2 锻造

2．1．3 固溶处理方案

2．2 高温氧化实验

2．3 材料分析测试方法

2．3．1 金相试样制备

2．3．2 X射线衍射分析(XRD)

2．3．3 扫描电镜(SEM)及能谱分析(EDS)

2．3．4 硬度实验

2．3．5 室温拉伸性能实验

2．3．6 高温拉伸性能实验

2．3．7 拉伸性能和硬度实验结果

第三章 耐热钢的高温氧化行为研究

3．1 高温氧化的热力学分析

3．2 高温氧化动力学研究

3．2．1 氧化动力学曲线

3．2．2 动力学方程

3．2．3 抗氧化性能评定与比较

3．3 本章小结

第四章 耐热钢表面、截面的形貌及物相分析

4．1 实验用1#耐热合金氧化膜分析

4．1．1 1#耐热合金氧化膜表面形貌及EDS分析

4．1．2 氧化膜截面形貌及元素分析

4．1．3 产物XRD分析

4．2 实验用2#耐热合金氧化膜分析

4．2．1 2#耐热合金氧化膜表面形貌及EDS分析

4．2．2 氧化膜截面形貌及元素分析

4．2．3 产物XRD分析

4．3 实验用3#耐热合金氧化膜分析

4．3．1 3#耐热合金氧化膜表面形貌及EDS分析

4．3．2 氧化膜截面形貌及元素分析

4．3．3 产物XRD分析

4．4 实验用4#耐热合金氧化膜分析

4．4．1 4#耐热合金氧化膜表面形貌及EDS分析

4．4．2 氧化膜截面形貌及元素分析

4．4．3 产物XRD分析

4．5 分析与讨论

4．6 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文