含Al耐热奥氏体不锈钢的团簇式成分设计

摘要

表面生成Al_(2)O_(3)保护膜的奥氏体不锈钢具有良好的高温服役性能,为了使Al强烈促进铁素体的生成需要精确匹配奥氏体稳定元素Ni和Al的含量。为此,本文先引入“团簇加连接原子”结构模型,解析该类不锈钢的成分特征,确定其16原子团簇式,进而结合当量计算并基于橡树岭实验室推出的成分,固定C含量(质量分数)为0.1%,设计了固定Ni含量提高Al(代替Cr)含量和固定Al含量提高Ni(代替Fe)含量两个成分系列,分别为Al_(x)Si_(0.05)Nb_(0.15)-Fe_(8.7)Ni_(3.0)Mn_(0.3)-Cr_(3.6x)Mo_(0.2)(x=_(0.8),1.0和1.1)和Al_(1)Si_(0.05)Nb_(0.15)-Fe_(11.7y)Ni_(y)Mn_(0.3)-Cr_(2.6)Mo_(0.2)(y=3.2,3.4,3.7和4.0),研究了Ni和Al的不同匹配对固溶水淬(1250℃/1.5 h)加时效态(800℃/24 h)奥氏体稳定性的影响。Ni含量为_(3.0)的16原子团簇式,Al含量为_(0.8)时为单相奥氏体;Al含量为1.0和1.1时,奥氏体失稳而铁素体形成。在Al含量为1.0的16原子团簇式中,Ni含量为3.2~4.0时均为单相奥氏体。即在16原子团簇式模型下Al_(0.8)(2.45%)和Al_(1)(_(3.0)8%)分别需要Ni_(3.0)(20.00%)和Ni_(3.2)(21.43%)以避免形成铁素体,最终确定该类不锈钢的理想团簇式为[(Al,Si,Nb)_(1)-(Fe,Ni,Mn)_(12)](Cr,Mo,W)_(3)。