合金化元素对新型含Al奥氏体耐热钢/氧化层界面结构形成及结合能力的影响

摘要

环境污染和能源短缺已经成为制约我国经济可持续发展的两个主要因素，清洁高效的燃煤技术迫切要求火电机组材料向大型超超临界机组发展，这对关键部件材料的高温抗氧化性能和蠕变强度提出了严峻挑战。含Al奥氏体耐热钢（AFA钢）由于表面形成了连续致密的Al2O3和Cr2O3氧化膜，以及基体中纳米级NbC等强化相弥散析出，因而兼具优异的高温抗氧化性能和蠕变持久强度，成为近几年超超临界机组关键部件用材料的研究热点。高温抗氧化性能是决定AFA钢使用持久程度的关键因素，与氧化膜结构、组成及界面结合能力紧密相关。AFA钢以其特殊的铬、铝复合氧化膜结构有望用于大于650°C等级超超临界机组，而相关AFA钢氧化膜微观形成机理、合金化元素对氧化膜形成、基体/氧化膜界面结合能力的影响规律、作用机制等科学问题还不完全清楚，本文利用第一性原理计算方法从原子层次更直观地理解AFA钢氧化膜的形成机理及界面结合能力。主要研究内容及相应研究成果如下： (1)新型含 Al奥氏体耐热钢合金成分的优化设计与制备。以Fe-22Cr-25Ni(wt.%)为基础，设计了适用于700°C超超临界机组用的高Cr高Ni含 Al奥氏体耐热钢，结合实验数据，借助第一性原理计算方法对其组织结构稳定性、热力学性质、力学性质及电子性质进行分析，阐明了合金化元素在奥氏体中的强韧化机理。制备了三种Fe-22Cr-25Ni-Al(wt.%)含Al奥氏体耐热钢，拉伸力学性能表明，Al含量增加，在不降低强度的基础上可使塑性得到改善。第一性原理计算表明Al溶于Fe-Cr-Ni合金体系具有较高的结构稳定性，且设计使用温度下结构稳定性更高；Al溶于奥氏体可使体系B/G值增大，即塑性提高，与实验结果相符；发现Al、Si复合合金化有利于使体系强度、塑性得到更好配合。 (2)对三种含Al奥氏体耐热钢进行了800°C不同时间的氧化实验，分析了氧化时间对氧化膜结构、组成的影响规律；Al含量增加可明显提高含Al奥氏体耐热钢抗氧化性能，1.5Al钢氧化过程中Cr、Al等主要合金元素经历了由基体向氧化层的迁移、扩散，最终形成了奥氏体基体/Al2O3/Cr2O3的氧化层结构。结合实验结果构建了奥氏体基体/氧化物(Fe/Cr2O3)界面结构模型，分析了Al的扩散行为及A12O3氧化膜的形成机制，并分析了合金化元素Cr、Ni、Mn、Si对A12O3形成的影响。理论模拟结果表明：含Al钢氧化过程中，Al原子有从基体通过Fe/Cr2O3界面向氧化层自发扩散的趋势， Fe/Al2O3/Cr2O3复合氧化层结构更为稳定；合金化元素 Cr、Ni、Mn、Si等可不同程度减缓Al的扩散，即降低Al2O3的形成速率；适量Si、Al的配合可改善Fe/Al2O3/Cr2O3复合氧化层的结构稳定性及界面结合能力。 (3)对Fe/Cr2O3和Fe/Al2O3/Cr2O3界面结构模型进行了原子层次的拉伸模拟，通过分析应力-应变曲线、变形过程中界面结构及原子间相互作用的变化规律，分析奥氏体/氧化物界面结合能力。拉伸应力作用下，两种界面结构都经历了均匀变形和非均匀变形两个阶段，奥氏体/氧化物界面结合能力强于基体，断裂发生在奥氏体内部；Al2O3的形成使得 Fe/Al2O3/Cr2O3界面处Fe与O、Al与O的相互作用加强，即界面结合能力得到改善。 (4)系统分析了奥氏体耐热钢中主要合金化元素Cr、Ni、Mn、Cu、Si、Al、V、Ti、Mo、W、Nb、Hf、Pt、Y、Ce等在奥氏体/氧化物(Fe/Cr2O3和Fe/Al2O3/Cr2O3)界面的偏聚行为及对界面结合能力的影响。对于Fe/Cr2O3， Cr、Cu、Si、Al、V、Ti、Mo、W、Nb、Hf、Y、Ce容易在其界面处偏聚， Ni、Mn、Pt更易固溶于奥氏体基体中，Ni、Mn可提高基体结构稳定性；含Al奥氏体耐热钢中，Al的引入使得Cu更易固溶于基体中，减弱了其向界面偏聚的倾向，有利于纳米级富Cu析出相的稳定；含Al奥氏体耐热钢基体/氧化物界面结合能力更强，同时合金化元素处于界面时对其影响效果更明显；合金化元素Si、Al固溶到Fe/Cr2O3界面和Fe/Al2O3/Cr2O3界面时，与界面附近O之间的电荷转移明显增大，相互作用增强，即Si和Al在界面的复合作用有改善基体与氧化物界面结合能力的作用。 (5)从原子层次研究了氧化介质S在Fe/Cr2O3界面和Fe/Al2O3/Cr2O3界面的偏聚行为及对界面结合能力的影响，并进一步分析了合金元素Hf、Pt、Y、Ce等对S在界面偏聚行为及S偏聚时界面结合能力的影响规律。S在奥氏体基体/氧化物界面结构中最容易以间隙的形式在界面处偏聚，并削弱界面的结合能力；将Al引入形成的复合氧化膜结构一定程度上可抑制S在界面的偏聚倾向，弱化S对奥氏体/氧化物界面结合能力的不利影响；元素Hf、Pt、Y、Ce可减缓S在界面的偏聚倾向，其中 Hf、Ce与奥氏体/氧化物界面偏聚的S相互作用，形成Hf-S键、Ce-S键，起到钉扎S的作用，降低S偏聚于界面时对界面结合能力的不利影响，从而起到抑制S氧化介质对奥氏体基体/氧化物界面的硫化腐蚀行为。

目录

声明

第一章 绪论

1.1引言

1.2含Al奥氏体耐热钢研究进展

1.3耐热钢抗氧化性能的第一性原理研究进展

1.4选题意义及研究内容

参考文献

第二章 理论研究与实验测试方法

2.1引言

2.2密度泛函理论

2.3交换相关泛函

2.4赝势

2.5第一性原理及计算软件介绍

2.6实验材料与研究方法

参考文献

第三章 新型含Al奥氏体耐热钢成分优化设计及强韧化机制

3.1引言

3.2合金成分的优化设计

3.3力学性能研究

3.4奥氏体相结构稳定性及强韧化机制研究

3.5本章小结

参考文献

第四章 含Al奥氏体耐热钢氧化膜结构及形成机制原子层次分析

4.1引言

4.2实验方法和计算参数设置

4.3含Al奥氏体耐热钢氧化膜结构、组成及抗氧化性能

4.4含Al奥氏体耐热钢Al2O3氧化膜的形成过程及影响机制

4.5本章小结

参考文献

第五章 奥氏体/氧化物界面结合能力研究

5.1引言

5.2奥氏体/氧化物界面结合能力分析

5.3本章小结

参考文献

第六章 合金化元素对奥氏体/氧化物界面结合能力影响机制研究

6.1引言

6.2结构模型和计算参数

6.3合金化元素在Fe/Cr2O3和Fe/Al2O3/Cr2O3占位及界面偏聚行为

6.4合金化元素对Fe/Cr2O3和Fe/Al2O3/Cr2O3界面结合能力的影响

6.5本章小结

参考文献

第七章 S在奥氏体/氧化物界面的非平衡偏聚及控制

7.1引言

7.2结构模型和计算参数

7.3 S在Fe/Cr2O3和Fe/Al2O3/Cr2O3界面的偏聚及对界面结合能力的影响

7.4 Hf、Pt、Y、Ce对S在Fe/Cr2O3和Fe/Al2O3/Cr2O3界面腐蚀行为的影响

7.5本章小结

参考文献

第八章 结论与展望

8.1结论

8.2展望

致谢

攻读博士期间研究成果

博士学位论文独创性说明