高钼高氮超级奥氏体不锈钢时效析出行为和耐腐蚀性能研究

摘要

高合金超级奥氏体不锈钢是高品质特种不锈钢发展的重要方向之一，由于其成分具有高铬、高镍、高钼和高氮等特点，在卤化物的环境中具有极高的耐点腐蚀和耐缝隙腐蚀性能，已逐渐成为Ni基合金和钛合金的代用材料。然而，钢中高的Cr和Mo含量易使钢在高温状态下析出二次金属间相，进而影响钢的生产、使用和降低钢的寿命。因此，研究超级奥氏体不锈钢在时效过程中的析出行为，不同时效处理制度下的钢的耐腐蚀性能以及时效析出和钢耐腐蚀性能的关系，可以为钢的热处理和轧制等热加工成型过程的控制和超级奥氏体不锈钢的应用提供理论指导。
　　本论文利用500 kg真空感应炉冶炼了Fe-23.4Cr-21.8Ni-7.5Mo-0.42N高钼高氮超级奥氏体不锈钢。利用Thermo-Calc热力学软件、金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和透射电镜(TEM)结合二次相析出相变理论系统的研究了高钼高氮超级奥氏体不锈钢的时效析出行为。利用阳极极化曲线法评价了高铝高氮超级奥氏体不锈钢在不同溶液体系的腐蚀性能，利用电化学动电位再活化(EPR)方法结合激光共聚焦显微镜研究了时效时间对高钼高氮超级奥氏体不锈钢耐晶间腐蚀性能的影响规律，建立了时效析出和钢耐腐蚀性能的关系。
　　Thermo-Calc热力学计算结果表明，钢在高温时形成的析出相为σ相，Laves相，氮化物（hcp相）以及M23C6，主要的析出相为σ相，M23C6的含量很少，σ相，Laves相以及氮化物的最高析出温度分别约为1170℃，800℃和1200℃。C和N元素抑制了σ相的析出，Cr和Mo元素促进了σ相和Laves相的析出。同时，析出相的体积分数随温度的提高逐渐降低。
　　利用OM、SEM和XRD结合钢的合金相图确定了高钼高氮超级奥氏体不锈钢的固溶处理制度为1170℃保温60 min后水冷，以保证二次相完全固溶到奥氏体基体当中，同时避免了晶粒的明显粗化。利用定量金相的方法，绘制了以4％和7％时效析出体积含量为初始点的析出动力学(TTP)曲线，曲线均呈“C”型，最快析出温度（“鼻尖”温度）约为1000℃，4％和7％时效析出体积含量对应的孕育期分别为120s和600s。
　　在1000℃时，随着时效时间的延长，高钼高氮超级奥氏体不锈钢析出相的体积分数（析出量）不断增加，析出量的增加速率逐渐降低。析出相优先偏聚于晶界，并随着时效时间的延长逐渐沿晶界连成网状，在时效处理20 min的时候，晶内开始出现了针棒状的析出相，随后晶内析出相开始逐渐增多，已形核的析出相不断长大，直至时效处理5h时，析出相已经布满整个视场。晶界上出现的析出相为椭球状，晶内析出相主要为针棒状，析出相主要为富Cr和富Mo的金属间相。通过TEM分析，1000℃时钢中出现的析出相为σ相、x相和M23C6。高钼高氮超级奥氏体不锈钢晶界上析出为非均匀形核，形核率迅速衰减为零，其长大速率反比于时间的二分之一次方。高钼高氮超级奥氏体不锈钢在600～1000℃范围内时效时，随着时效温度的提高，析出量逐渐增加。而时效温度提高到1050℃时，析出量明显变少，表明此时析出相的溶解速率发生了显著的提高。
　　利用阳极极化曲线方法测定了固溶态高钼高氮超级奥氏体不锈钢与316L不锈钢在3.5％NaCl溶液、1 mol/L NaCl+1 mol/L H2SO4溶液以及死亡绿液中的耐点蚀性能。固溶态高钼高氮超级奥氏体不锈钢较316L具有更长的钝化区，且在三种溶液中均有明显的再钝化现象，其点蚀电位均在0.95 V以上，远高于316L的点蚀电位，表明其耐点腐蚀性能远优于316L不锈钢。同时高钼高氮超级奥氏体不锈钢的点蚀当量指数（PREN）也远高于316L不锈钢。
　　随着时效时间的延长，EPR方法测定的高钼高氮超级奥氏体不锈钢的再活化率Ir/Ia和Qr/Qa都逐渐增大，表明钢晶间腐蚀敏感性增强，耐晶间腐蚀性能变差。这是由于高钼高氮超级奥氏体不锈钢在时效过程中形成了3种二次相，分别为σ相、x相和M23C6，主要为σ相。这些二次相都富含Cr和Mo元素，同时优先的在晶界形成，使得晶界附近区域的Cr和Mo元素不断扩散至晶界以满足二次相的形核与长大，进而造成晶界附近的区域贫Cr和贫Mo，使得钢发生晶间腐蚀。而随着时效时间的延长，钢中的析出相不断增多，且析出相不断长大，使得钢晶间腐蚀敏感性增强。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景

1．2 课题研究目的及意义

1．3 课题研究主要内容

第2章 文献综述

2．1 超级奥氏体不锈钢概述

2．1．1 超级奥氏体不锈钢简介

2．1．2 超级奥氏体不锈钢性能及应用领域

2．1．3 合金元素在超级奥氏体不锈钢中的作用

2．2 高合金超级奥氏体不锈钢的组织特点

2．2．1 超级奥氏体不锈钢中常见二次析出相

2．2．2 超级奥氏体不锈钢时效析出动力学

2．3 超级奥氏体不锈钢的耐腐蚀性能研究

2．3．1 超级奥氏体不锈钢耐点腐蚀性研究

2．3．2 超级奥氏体不锈钢耐晶间腐蚀性研究

2．4 文献评述

第3章 高钼高氮超级奥氏体不锈钢材料的制备

3．1 实验研究方案

3．1．1 高钼高氮超级奥氏体不锈钢的冶炼

3．1．2 高钼高氮超级奥氏体不锈钢的轧制

3．2 实验结果及讨论

3．3 本章小结

第4章 高钼高氮超级奥氏体不锈钢析出热力学计算

4．1 Thermo-Calc软件简介

4．2 热力学计算结果及讨论

4．3 本章小结

第5章 高钼高氮超级奥氏体不锈钢时效析出行为研究

5．1 固溶处理制度的确立

5．1．1 实验研究方案

5．1．2 实验结果及讨论

5．2 析出动力学(TTP)曲线的测定

5．2．1 实验研究方案

5．2．2 实验结果及讨论

5．3 高钼高氮超级奥氏体不锈钢析出动力学行为研究

5．3．1 实验研究方案

5．3．2 实验结果及讨论

5．4 1000℃时效处理的高钼高氮超级奥氏体不锈钢晶界析出相尺寸计算

5．4．1 高钼高氮超级奥氏体不锈钢晶界析出相长大模型

5．4．2 高钼高氮超级奥氏体不锈钢晶界析出相尺寸计算

5．4．3 计算结果验证

5．5 不同温度时效处理高钼高氮超级奥氏体不锈钢时效析出行为

5．5．1 实验研究方案

5．5．2 实验结果及讨论

5．6 本章小结

第6章 时效时间对高钼高氮超级奥氏体不锈钢耐腐蚀性能的影响规律研究

6．1 固溶态高钼高氮超级奥氏体不锈钢耐腐蚀性能

6．1．1 实验研究方案

6．1．1 实验结果及讨论

6．2 时效时间对高钼高氮超级奥氏体不锈钢耐晶间腐蚀性能的影响规律

6．2．1 实验研究方案

6．2．2 实验结果及讨论

6．3 本章小结

第7章 结论

参考文献

致谢

作者简介

攻读硕士学位期间发表论文

论文包含图、表、公式及文献