Hf和Y对含铝新型奥氏体耐热钢的高温氧化行为影响及机理研究

A new alumina-forming austenitic heat-resistant steel with greatly improved heat-resistance temperature and oxidation resistance than conventional chromia-forming heat-resistant steel was widely reported. However, the oxidation resistance of alumina-forming austenitic heat-resistant steel is not stable at 800 oC long-term cyclic oxidation in wet air. Additions of reactive elements such as Hf and Y can improve the long-term stability of the alumina scales. Nevertheless, the mechanism is not clear now. The applicant, along with his collaborators, has found additions of Hf and Y in alumina-forming austenitic steel can promote the formation of alumina scale, but also change grain boundaries of the coincidence site lattice in matrix. The main purpose of this project is to establish reactive element-coincidence site lattice-oxidation performance interrelationship by studying structure, morphology and composition of oxide scales, oxidation behavior of the coincidence site lattice grain boundary. As such, the effects of Hf and Y on the oxidation behavior and high-temperature oxidation mechanisms of new alumina-forming austenitic steel can be understood. On the basis of these studies, the ultimate goal of this project is to provide the theory basis of deeply improving the oxidation resistance of these new steels.

一种以氧化铝为保护层的含铝新型奥氏体耐热钢因比传统以氧化铬为保护层的耐热钢具有更高的耐热温度和更好的抗氧化性能而被广泛关注。而在800℃潮湿空气中长期循环氧化时，该含铝新型奥氏体耐热钢的抗氧化性能不够稳定，通过添加活性元素Hf和Y可显著改善其氧化层的长期稳定性，但活性元素提高氧化层与基体粘附力的机理尚不完全清楚。申请者与合作者前期工作发现，在含铝新型奥氏体耐热钢中优化Hf/Y后不仅可以促进Al2O3层的形成，并且使奥氏体基体中的重位点阵晶界也发生了明显的改变。本项目拟在含铝新型奥氏体耐热钢中优化Hf和Y元素后，通过研究其氧化层的结构、形貌和成分的变化，以及重位点阵晶界的氧化行为，建立活性元素-重位点阵晶界-氧化性能之间的关系，揭示高温氧化时Hf和Y对含铝新型奥氏体耐热钢的氧化影响及机理。在此基础上，为提高新一代耐热材料的抗氧化性能提供理论依据。

奥氏体耐热钢是一种具有一定强度和抗氧化能力的钢种，在火力发电、原子能、航空航天、石油和化学工业等新技术开发领域中具有关键性的作用。最近，通过向传统奥氏体不锈钢中添加一定量的Al，同时优化其它一些合金元素，开发出了一种新型奥氏体耐热钢，即在氧化的过程中其自发的形成Al2O3为保护层，因此具有更高的抗氧化温度。而在800℃潮湿空气中长期循环氧化时，该含铝新型奥氏体耐热钢的抗氧化性能不够稳定，通过活性元素Hf和Y可显著的改善新AFA钢的抗氧化性能，并将新AFA钢的抗氧化温度由800℃提高到900℃。这些活性元素改善新AFA钢的抗氧化机理尚不十分清楚，但研究结果发现，这些活性元素分布在氧化物晶粒之间，使氧化物晶界更加稳定，从而阻碍了O渗透，另一可能是改善了氧化层的弹性应变能，提高了氧化层与基体的连接。其中单独添加0.1%Y的效果最佳。重位点阵晶界对新AFA钢的抗氧化性能有显著的影响，在新AFA钢基体上Σ3晶界所占的比值最高，其中Σ3晶界抗氧化效果最显著，其次为Σ5晶界，而Σ7晶界的抗氧化效果与普通晶界类似。在新AFA钢中通过添加不同含量的Hf和Y将显著地提高Σ3晶界的比例，这也可能是添加了Hf/Y的新AFA钢抗氧化性能显著提高的原因之一。