Fe-Cr-Ni系合金表层“膨胀”α相热稳定性机理研究

Martensitic stainless steel is widely used in key components of steam turbine and other high-end equipment, for improve the wear resistance and corrosion resistance of this kind of steel, traditional nitriding can be replaced by low temperature nitriding/carburizing/nitrocarburizing based on the formation of metastable nitrogen (carbon) supersaturated solid solution (i.e. “expanded” α phase), however, the high temperature service stability and the influence of alloy element on this phase are not clear until now. To prepare the "expanded" α phase layer, Fe-Cr-Ni alloy will be conducted by low temperature nitriding/carburizing/ itrocarburizing treatments in the present investigation, and then the evolution rules of the microstructure and properties will be explored in annealing under different environment. By using transmission electron microscopy and energy spectrum analysis technology, the fine microstructures of “expanded” α phase layer before and after annealing will be characterized. By thermodynamic calculation combined with three-dimensional atom probe analysis, elements segregation and phase precipitation behavior could be analyzed. Thermal decomposition kinetics of the phase will be studied by thermogravimetric associated with differential thermal analysis. The energy change and interaction between elements will be studied through first principle calculation. Thereby, thermal stability mechanisms and the effects of alloy elements of “expanded” α phase under the high temperature service conditions will be revealed. The above work will provide theoretical basis and technical support for the practical application of “expanded” α phase, and then support its application and reliable service in key components in steam turbine and other high-end equipment. Therefore, this investigation possesses the theoretical research significance and application value.

马氏体不锈钢被广泛应用于汽轮机等高端装备关键零部件，低温渗氮/渗碳/氮碳共渗等可取代传统渗氮，在其表面形成耐磨且耐蚀的亚稳氮(碳)过饱和固溶体(即“膨胀”α相)，但是目前关于该相的高温服役稳定性及合金元素的影响尚不清楚。本项目拟对Fe-Cr-Ni系合金进行低温渗氮/渗碳/氮碳共渗处理，制备“膨胀”α相层，探究其在不同介质环境下退火过程中的组织结构和性能演变规律。采用透射电镜和能谱分析等技术表征退火前后“膨胀”α相层的精细组织结构，通过热力学计算并结合三维原子探针分析层内元素偏析和相析出行为，利用热重与差热联用技术研究相分解动力学，通过第一性原理计算研究相能量变化和元素交互作用，由此揭示“膨胀”α相在高温服役条件下的热稳定性机制及合金元素的影响。上述工作将为“膨胀”α相的实际应用提供理论基础和技术保障，支撑其在汽轮机等高端装备关键零部件上的应用和可靠服役。因此，具有理论研究意义和应用价值。

马氏体不锈钢被广泛应用于汽轮机等高端装备关键零部件，低温渗氮/渗碳等可取代传统渗氮，在其表面形成耐磨且耐蚀的亚稳氮(碳)过饱和固溶体(即“膨胀”α相)，但是目前关于该相的高温服役稳定性及合金元素的影响尚不清楚。本项目以典型1Cr17、1Cr17Ni2和0Cr17Ni4Cu4Nb等不锈钢为研究对象，进行了低温渗氮/渗碳工艺以及渗层组织结构和性能研究；在典型不锈钢表面制备出了厚度达30μm组织均匀的“膨胀”α相层，分析了低温渗氮/渗碳层的主要相组成、渗层表面氮/碳元素含量以及截面元素分布，表征了低温渗氮/渗碳层中的相分布及精细组织，获得了典型不锈钢表面低温渗氮/渗碳层生长动力学方程；测试了典型不锈钢表面“膨胀”α相层的性能，其中含氮、碳“膨胀”α相层硬度可分别达1800HV0.1和1300HV0.1以上，含氮、碳“膨胀”α相层的摩擦系数可分别降低至0.3以下，耐磨性均显著改善，通过调控渗前组织，不锈钢表面含氮“膨胀”α相层的耐蚀性可比未处理前显著提高。进一步，对含氮“膨胀”α相层进行了不同介质环境下的高、低温等时和等温退火处理研究，其中在450℃及其以下温度退火48h内渗层厚度增加但组织结构无明显变化，而510℃及以上温度退火4h后渗层厚度增加的同时即发生组织结构的显著变化，析出铁氮化物和铬氮化物；并基于组织结构变化，研究了“膨胀”α相分解热/动力学。退火后的性能研究表明：经低温退火后，渗层硬度略有降低，但摩擦系数、耐磨性能均为无明显变化，说明“膨胀”α相层较稳定，而经高温退火后，渗层硬度显著降低，摩擦系数和耐磨性没有明显变化。此外，计算了Fe-M-N系合金的热力学平衡析出相图和析出相摩尔组分，分析了典型温度和氮含量下体系中的析出相种类及其析出顺序，并采用第一性原理方法计算了含不同合金元素及氮含量“膨胀”α相的稳定性，分析了合金元素影响规律，理论结合实验研究结果，阐明了“膨胀”α相在高温服役条件下的热稳定性机制及合金元素的影响。上述工作可为“膨胀”α相的实际应用提供理论基础和技术保障。