原位MC型碳化物彌散強(qiáng)化不銹鋼的研究.pdf

1、顆粒彌散強(qiáng)化鋼鐵基材料(以下簡稱強(qiáng)化鋼)由于兼有增強(qiáng)相和鋼鐵基體的優(yōu)良性能,因此能夠在某些苛刻環(huán)境下服役,以滿足實(shí)際工況需求。近十年來發(fā)展起來的原位合成技術(shù)具有制備工藝簡單、成本低、易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)和實(shí)際應(yīng)用等優(yōu)勢,已成為制備顆粒彌散強(qiáng)化鋼的一種重要方法。本文以四種MC型碳化物:TiC、VC、(Ti,V)C和NbC為強(qiáng)化相,以304奧氏體不銹鋼為母合金,采用原位合成工藝成功地制各了多種MC-304強(qiáng)化鋼。綜合應(yīng)用了多種現(xiàn)代分析手段研究

2、了強(qiáng)化鋼的顯微組織和MC顆粒的形貌和分布,并系統(tǒng)地研究了強(qiáng)化鋼的力學(xué)性能、高溫氧化性能和高溫蠕變性能。
　　 對強(qiáng)化鋼的顯微組織的研究表明,在各種強(qiáng)化鋼的鑄態(tài)組織中,MC顆粒分布基本均勻,只有在碳化物體積分?jǐn)?shù)較高的強(qiáng)化鋼中出現(xiàn)了輕微的顆粒團(tuán)聚。TEM觀察表明,各種MC碳化物顆粒與基體相(奧氏體)之間的結(jié)合良好,界面上沒有出現(xiàn)反應(yīng)物或污染,說明本文采用的工藝是成功的。
　　 在304不銹鋼中引入MC碳化物后,強(qiáng)化鋼的基體組

3、織均得到顯著的細(xì)化。在TIC-304和(Ti,V)C-304強(qiáng)化鋼鑄態(tài)組織中,碳化物顆粒呈多邊形顆粒狀,而在VC-304和NbC304強(qiáng)化鋼的鑄態(tài)組織中碳化物顆粒成條狀。強(qiáng)化鋼中各種MC顆粒的大小一般在微米尺度,然而在形變態(tài)的VC-304強(qiáng)化鋼中,TEM觀察還發(fā)現(xiàn)了納米尺寸的VC顆粒。強(qiáng)化鋼經(jīng)熱鍛和熱處理后,TiC和(Ti,V)C顆粒形貌未發(fā)生明顯改變,但條狀的NbC和VC顆粒被破碎,均勻地分布于顯微組織中。
　　 顯微組織分析

4、和DSC試驗(yàn)的結(jié)果顯示,幾種MC碳化物在熔鑄過程中的形成機(jī)制并不相同。其中TiC、(Ti,V)C和NbC顆粒是預(yù)制塊進(jìn)入高溫鋼液后發(fā)生的自蔓延反應(yīng)所生成,而VC-304強(qiáng)化鋼在熔鑄過程中未發(fā)生自蔓延反應(yīng),預(yù)制塊中的V和C在高溫下溶入鋼液。VC顆粒是在強(qiáng)化鋼凝固溫度以下形成的。
　　 TiC-304、(Ti,V)C-304和NbC-304強(qiáng)化鋼的基體組織都是單一的γ相(奧氏體),說明這些碳化物的引入沒有改變母合金的相組成。然而在V

5、C-304強(qiáng)化鋼顯微組織中出現(xiàn)了一定體積分?jǐn)?shù)的鐵素體。由于V是強(qiáng)烈的鐵素體穩(wěn)定元素,這進(jìn)一步說明在VC-304強(qiáng)化鋼的熔煉過程中有部分V溶入了基體。和母合金一樣,在TiC-304和VC-304鑄態(tài)組織中存在少量Cr23C6碳化物,然而經(jīng)熱鍛和熱處理后,強(qiáng)化鋼中的Cr23C6顯著增多。進(jìn)一步的試驗(yàn)研究表明:TiC強(qiáng)化鋼中Cr23C6形成是由于在熱加工過程中TiC脫碳所致。
　　 高溫抗氧化試驗(yàn)結(jié)果表明,這幾種MC碳化物對304不銹

6、鋼氧化行為的影響有顯著的區(qū)別。在850℃的溫度下,TiC的引入顯著提高了母合金的高溫抗氧化性能,而VC和(Ti,V)C的引入?yún)s嚴(yán)重惡化了母合金的高溫抗氧化性能。NbC的引入對母合金抗氧化性能的影響也是負(fù)面的,但遠(yuǎn)不如VC的影響嚴(yán)重。
　　 在850℃和900℃溫度下,TiC-304強(qiáng)化鋼的抗氧化性能隨TiC體積分?jǐn)?shù)的增加而提高。一系列的微觀分析顯示,TiC顆粒的引入之所以能有效提高母合金的抗氧化性能,是因?yàn)樗龠M(jìn)了Cr離子向氧化

7、膜外表面擴(kuò)散,加速Cr的選擇性氧化作用,加快了含Cr的保護(hù)性氧化膜的形成。此外,TiC的加入使304不銹鋼氧化膜組織細(xì)化,使之與基體之間的附著力增強(qiáng),避免了氧化膜開裂。
　　 VC的引入對304不銹鋼高溫抗氧化性能產(chǎn)生的嚴(yán)重負(fù)面效應(yīng)是因?yàn)樵诒疚牡脑囼?yàn)溫度(850℃下,V的氧化產(chǎn)物V2O5呈液態(tài),形成的氧化膜不具有良好的保護(hù)作用。固液物理狀態(tài)的差別導(dǎo)致氧化膜生長不連續(xù),出現(xiàn)嚴(yán)重開裂和剝落現(xiàn)象。
　　 對強(qiáng)化鋼的力學(xué)性能測試

8、表明,MC顆粒的引入都使強(qiáng)化鋼的室溫和高溫強(qiáng)度得到顯著提高。其中VC顆粒的強(qiáng)化效果最好,而NbC的強(qiáng)化效果相對最弱。然而,所有強(qiáng)化鋼的塑性都由于MC顆粒的引入增強(qiáng)相而出現(xiàn)不同程度的下降。在TiC和VC強(qiáng)化鋼中,力學(xué)性能隨著顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加呈現(xiàn)相反的變化規(guī)律。隨著TiC含量的增加,TIC-304強(qiáng)化鋼的力學(xué)性能隨之升高:而隨著VC含量的增加,VC-304強(qiáng)化鋼的力學(xué)性能卻隨之下降。對于TiC-304強(qiáng)化鋼,拉伸過程中TiC顆粒的斷裂是其

9、斷裂失效的主要機(jī)制。在VC-304和NbC-304強(qiáng)化鋼拉伸斷口上,除了出現(xiàn)增強(qiáng)相顆粒斷裂外,還在基體中觀察到大量裂紋。
　　 在700℃/100 Mpa的條件下,MC顆粒的加入都有效地提高了304不銹鋼的高溫抗蠕變性能。對于TiC-304和vc-304強(qiáng)化鋼,MC的體積分?jǐn)?shù)越高,抗蠕變性能的改善越顯著。系統(tǒng)的蠕變試驗(yàn)顯示,在溫度為650～750℃,應(yīng)力為80～150MPa條件下,304不銹鋼和TiC-304強(qiáng)化鋼的蠕變主要受位

10、錯(cuò)攀移機(jī)制控制。TiC-304強(qiáng)化鋼的應(yīng)力指數(shù)和表觀蠕變激活能都分別高于母合金的應(yīng)力指數(shù)和激活能,且應(yīng)力指數(shù)和蠕變激活能都隨著TiC顆粒體積分?jǐn)?shù)的提高而升高。
　　 本文選擇綜合性能最好的TiC-304強(qiáng)化鋼進(jìn)行了電渣重熔(ESR)工藝試驗(yàn)。結(jié)果顯示,ESR后,強(qiáng)化鋼的鑄態(tài)組織和TiC顆粒得到了進(jìn)一步的細(xì)化,同時(shí)TiC顆粒分布的均勻性也明顯改善。在ESR重熔后的TIC-304強(qiáng)化鋼的顯微組織中觀察到有納米級的TiC顆粒存在。一系