新型Fe-Cr-Ni-Nb-Al-Mo奥氏体钢的高温抗氧化及蠕变行为研究

发布时间：2017-10-01 17:34

  本文关键词：新型Fe-Cr-Ni-Nb-Al-Mo奥氏体钢的高温抗氧化及蠕变行为研究

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【摘要】：随着近年来对于提高核电蒸汽温度、提升发电效率目标的提出,传统核电传热管材已不能满足更为恶劣环境下服役的需求,因此开发一种具有优异高温氧化和蠕变性能的核电用材料迫在眉睫。本课题组通过理论分析与前期试验研究设计制备了两种新型奥氏体耐热钢,这两种新型合金的成分分别是B07(Fe-30Ni-18Cr-0.4Nb-3Al-2Mo)及B08(Fe-35Ni-20Cr-0.4Nb-3Al-2Mo),但对合金高温氧化及蠕变行为尚未深入理解,因此本文主要研究了这两种合金的高温氧化及高温蠕变行为,论文的主要研究结果如下:采用静态氧化称重法研究了两种合金的高温氧化行为,在700~900°C氧化时,两种合金氧化动力学曲线均遵循抛物线规律,B07合金900°C氧化100 h的增重为0.123 mg·cm-2,而相同条件下B08合金氧化增重仅为0.054 mg·cm-2,与传统合金800H高温抗氧化性能相比,新型合金的高温抗氧化性能明显提升。结合氧化膜表面形貌、相组成和横截面分析,发现在700°C下,B07和B08合金表面氧化膜主要是Fe和Cr的混合氧化物(Fe0.6Cr0.4)2O3,B07合金氧化膜内层存在一层富Al的氧化物,而B08合金内层富Al氧化物并不明显;在800°C和900°C下两种合金的表面氧化膜均为Al2O3和(Al0.9Cr0.1)2O3,合金内层富Al氧化物较700°C时更为明显;对比不同氧化温度下两种合金的氧化膜厚度,发现B08合金的氧化膜厚度均小于B07合金,即B08合金具有更好的高温氧化性能。结果表明:合金中添加适量的Al元素能显著提高材料的高温抗氧化性能,同时更高含量的Ni元素有利于Al2O3氧化膜的形成。对两种新型合金进行高温蠕变试验可得,B07合金蠕变曲线具有典型稳态蠕变三阶段的蠕变断裂模式,而B08合金只有初始蠕变阶段和稳态蠕变阶段的蠕变断裂模式,在相同温度和应力下,B08合金的稳态蠕变速率较B07合金显著提高。由稳态蠕变速率与温度和应力的关系可知,B07合金蠕变的稳态蠕变速率应力指数n=6.98,蠕变表观激活能Qc=720 kJ/mol;B08合金蠕变应力指数n=16.35,蠕变表观激活能为Qc=838 kJ/mol,因此第二相粒子强化是这两种合金蠕变变形的主要机制。计算得出B07和B08合金在650°C、10000 h的持久强度分别为143 MPa和232 MPa,这两种合金的蠕变持久强度均高于传统合金800H。分析两种合金蠕变断裂后组织可知,B07合金在高温蠕变后晶内析出NbC和σ相,晶内和晶界上析出M23C6,NbC和M23C6有效地阻碍位错运动,而σ相则是降低B07合金的塑韧性和蠕变寿命主要因素;B08合金析出大量的M23C6粒子,这些第二相粒子能提高合金蠕变寿命。结果表明:合金中加入Nb元素能有效提高合金的高温蠕变性能,同时更高的Ni元素含量能有效推迟σ相的形成。基于上述实验结果可知,B07和B08合金的高温抗氧化和蠕变性能均明显高于传统合金800H;同时合金中更高含量的Ni元素有利于提高合金的高温抗氧化和蠕变性能。
【关键词】：核电 传热管材 奥氏体不锈钢 高温氧化 蠕变行为
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG142.73
【目录】：

• 摘要5-7
• abstract7-11
• 第一章 绪论11-31
• 1.1 课题背景11-13
• 1.1.1 世界核电的发展现状11-12
• 1.1.2 我国核电的发展现状12-13
• 1.2 蒸汽发生器及传热管材料发展状况13-16
• 1.2.1 蒸汽发生器结构13-14
• 1.2.2 传热管材料使用发展状况14-16
• 1.3 高温氧化基础16-19
• 1.3.1 高温氧化的热力学16-18
• 1.3.2 高温氧化的动力学18-19
• 1.4 高温蠕变基础19-25
• 1.4.1 蠕变曲线19-22
• 1.4.2 蠕变变形机理22-25
• 1.5 新材料的合金化设计25-30
• 1.5.1 新材料的设计要求25-27
• 1.5.2 新材料的合金设计27-30
• 1.6 研究内容及意义30-31
• 第二章 实验材料与实验方法31-34
• 2.1 实验材料31
• 2.2 实验方法31-34
• 2.2.1 固溶处理31-32
• 2.2.2 高温氧化实验32
• 2.2.3 蠕变测试32-34
• 第三章 B07和B08合金的高温抗氧化行为34-47
• 3.1 高温氧化动力学曲线分析34-37
• 3.1.1 B07合金氧化动力学曲线分析34-36
• 3.1.2 B08合金氧化动力学曲线分析36-37
• 3.2 高温氧化膜表面形貌及成分分析37-40
• 3.2.1 B07合金氧化膜表面形貌及成分分析37-38
• 3.2.2 B08合金氧化膜表面形貌及成分分析38-40
• 3.3 高温氧化膜相组成分析40-41
• 3.3.1 B07合金氧化膜相组成分析40-41
• 3.3.2 B08合金氧化膜相组成分析41
• 3.4 高温氧化膜截面形貌分析41-44
• 3.4.1 B07合金氧化膜截面形貌分析41-43
• 3.4.2 B08合金氧化膜截面形貌分析43-44
• 3.5 高温氧化机理分析44-45
• 3.6 本章小结45-47
• 第四章 B07和B08合金的高温蠕变行为47-68
• 4.1 高温蠕变曲线分析47-50
• 4.1.1 B07合金蠕变曲线分析47-48
• 4.1.2 B08合金蠕变曲线分析48-50
• 4.2 高温幂律蠕变方程分析50-55
• 4.2.1 B07合金幂律蠕变方程分析50-53
• 4.2.2 B08合金幂律蠕变方程分析53-55
• 4.3 高温持久强度分析55-60
• 4.3.1 B07合金高温持久强度分析58-59
• 4.3.2 B08合金高温持久强度分析59-60
• 4.4 蠕变组织分析60-66
• 4.4.1 B07合金蠕变组织分析60-63
• 4.4.2 B08合金蠕变组织分析63-66
• 4.5 本章小结66-68
• 第五章 结论与展望68-70
• 5.1 总结68-69
• 5.2 展望69-70
• 参考文献70-75
• 致谢75-76
• 硕士期间发表论文76

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本文编号：954786