18-8系奥氏体钢在超超临界水蒸气环境中表面氧化膜形成特性与剥落模式

Austenitic heat-resistance alloy has been widely used as superheater/reheater materials in 600℃ ultra supercritical thermal power units (USC), but the exfoliation behavior of the oxide scale induce serious problems. Due to the great numbers of voids segregate at the interface between duplex oxide layers, the traditional exfoliation predicts model is no longer applicable. By analyzing the oxidation behavior of commercial 18-8 series austenitic heat- resistance alloy in 600℃ USC, this work investigates the growing behavior of the duplex scale under various oxidation parameters (steam temperature, steam flow and dissolved oxygen content) and the formation, character and developing mechanism of the void; ensure the critical condition of the nucleation and the prolongation of cracking along the void; reveal the exfoliation mechanism of the duplex oxide layer. Then, simulating by ANSYS software, this work establish the cracking and exfoliation model of porosity duplex oxide layer under various condition (different strain strength/speed); correct and verify the prediction model by real-time monitoring the cracking and exfoliation behavior of duplex scale with different porosity through the non-destructive testing technique; make the experimental and theoretical basis for the exfoliation behavior prediction model of austenitic heat-resistance alloy under the ultra supercritical steam oxidation condition.

奥氏体耐热钢作为过热器/再热器材料已在600℃级超超临界(USC)火电机组中广泛应用，但其氧化皮剥落对机组的安全运行带来巨大隐患。由于其表面氧化膜具有双层结构，同时在双层中间界面处存在缺陷，使传统的氧化皮剥落模型不再适用。本项目拟以目前600℃级USC机组中常用的18-8系奥氏体钢为考察对象，观察其双层氧化膜内界面在不同氧化蒸汽温度、流量及溶解氧含量影响下的形成规律和缺陷在内界面的形成、特征和演变方式；确定裂纹沿内界面萌生和扩展的条件；揭示双层氧化膜剥落行为的规律和机理。在此基础上，利用ANSYS软件建立具有不同缺陷密度的双层氧化膜内界面在不同应变幅度和速率条件下开裂与剥落的模型；结合无损检测技术实时监测双层氧化膜内裂纹的萌生、扩展和剥落行为，修正和验证建立的模型；为建立奥氏体耐热钢在超超临界水蒸气环境下氧化层剥落行为的预测模型打下实验和理论基础。

奥氏体耐热钢作为过热器/再热器材料已在600℃级超超临界(USC)火电机组中广泛应用，但其氧化皮剥落对机组的安全运行带来巨大隐患。由于其表面氧化膜具有双层结构，同时在双层中间界面处存在缺陷，使传统的氧化皮剥落模型不再适用。本项目以目前600℃级USC机组中常用的18-8系奥氏体钢为考察对象，研究了在不同氧化条件下合金表面双层氧化膜的形成机理及生长过程，并同时观察其双层氧化膜内界面在不同氧化蒸汽温度、流量及溶解氧含量影响下的形成规律和缺陷在内界面的形成、特征和演变方式。结果表明，双层氧化物的形成与合金表面氧化铬层的开裂有关，并且提高蒸汽氧化温度以及增加溶解氧含量均会促进双层氧化物的生长。伴随着双层氧化物的形成，在氧化膜界面出现大量孔洞。随着氧化时间的延长，孔洞尺寸增长较缓慢，而密度显著增加。借助第一性原理分别对几种氧化物的弹性模量、表面能与界面能等物理特性参数进行计算，并在此基础上确定裂纹沿界面萌生和扩展的条件，进而揭示双层氧化膜剥落行为的规律和机理。在此基础上，利用Ansys软件建立了具有不同缺陷密度及尺寸的双层氧化膜内界面的开裂与剥落的模型。结果发现缺陷尺寸及密度均对氧化膜的剥落具有显著影响。随着界面孔洞尺寸增加及密度减少，氧化膜剥落临界应力降低。而当界面存在多种尺寸的孔洞时，氧化膜剥落行为主要受较大尺寸孔洞的影响。结合无损检测技术实时监测双层氧化膜内裂纹的萌生、扩展和剥落行为，结果证实氧化膜剥落主要发生在降温阶段，且初始发生剥落时的温度降幅与模型预测结果基本吻合。