原位MC型碳化物彌散強化不銹鋼的研究.pdf

1、顆粒彌散強化鋼鐵基材料(以下簡稱強化鋼)由于兼有增強相和鋼鐵基體的優(yōu)良性能,因此能夠在某些苛刻環(huán)境下服役,以滿足實際工況需求。近十年來發(fā)展起來的原位合成技術具有制備工藝簡單、成本低、易于實現工業(yè)化生產和實際應用等優(yōu)勢,已成為制備顆粒彌散強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強化鋼。綜合應用了多種現代分析手段研究

2、了強化鋼的顯微組織和MC顆粒的形貌和分布,并系統(tǒng)地研究了強化鋼的力學性能、高溫氧化性能和高溫蠕變性能。
　　 對強化鋼的顯微組織的研究表明,在各種強化鋼的鑄態(tài)組織中,MC顆粒分布基本均勻,只有在碳化物體積分數較高的強化鋼中出現了輕微的顆粒團聚。TEM觀察表明,各種MC碳化物顆粒與基體相(奧氏體)之間的結合良好,界面上沒有出現反應物或污染,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,強化鋼的基體組

3、織均得到顯著的細化。在TIC-304和(Ti,V)C-304強化鋼鑄態(tài)組織中,碳化物顆粒呈多邊形顆粒狀,而在VC-304和NbC304強化鋼的鑄態(tài)組織中碳化物顆粒成條狀。強化鋼中各種MC顆粒的大小一般在微米尺度,然而在形變態(tài)的VC-304強化鋼中,TEM觀察還發(fā)現了納米尺寸的VC顆粒。強化鋼經熱鍛和熱處理后,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試驗的結果顯示,幾種MC碳化物在熔鑄過程中的形成機制并不相同。其中TiC、(Ti,V)C和NbC顆粒是預制塊進入高溫鋼液后發(fā)生的自蔓延反應所生成,而VC-304強化鋼在熔鑄過程中未發(fā)生自蔓延反應,預制塊中的V和C在高溫下溶入鋼液。VC顆粒是在強化鋼凝固溫度以下形成的。
　　 TiC-304、(Ti,V)C-304和NbC-304強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強化鋼顯微組織中出現了一定體積分數的鐵素體。由于V是強烈的鐵素體穩(wěn)定元素,這進一步說明在VC-304強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,然而經熱鍛和熱處理后,強化鋼中的Cr23C6顯著增多。進一步的試驗研究表明:TiC強化鋼中Cr23C6形成是由于在熱加工過程中TiC脫碳所致。
　　 高溫抗氧化試驗結果表明,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的引入卻嚴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面的,但遠不如VC的影響嚴重。
　　 在850℃和900℃溫度下,TiC-304強化鋼的抗氧化性能隨TiC體積分數的增加而提高。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,是因為它促進了Cr離子向氧化

7、膜外表面擴散,加速Cr的選擇性氧化作用,加快了含Cr的保護性氧化膜的形成。此外,TiC的加入使304不銹鋼氧化膜組織細化,使之與基體之間的附著力增強,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生的嚴重負面效應是因為在本文的試驗溫度(850℃下,V的氧化產物V2O5呈液態(tài),形成的氧化膜不具有良好的保護作用。固液物理狀態(tài)的差別導致氧化膜生長不連續(xù),出現嚴重開裂和剝落現象。
　　 對強化鋼的力學性能測試

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

9、斷裂失效的主要機制。在VC-304和NbC-304強化鋼拉伸斷口上,除了出現增強相顆粒斷裂外,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強化鋼,MC的體積分數越高,抗蠕變性能的改善越顯著。系統(tǒng)的蠕變試驗顯示,在溫度為650～750℃,應力為80～150MPa條件下,304不銹鋼和TiC-304強化鋼的蠕變主要受位

10、錯攀移機制控制。TiC-304強化鋼的應力指數和表觀蠕變激活能都分別高于母合金的應力指數和激活能,且應力指數和蠕變激活能都隨著TiC顆粒體積分數的提高而升高。
　　 本文選擇綜合性能最好的TiC-304強化鋼進行了電渣重熔(ESR)工藝試驗。結果顯示,ESR后,強化鋼的鑄態(tài)組織和TiC顆粒得到了進一步的細化,同時TiC顆粒分布的均勻性也明顯改善。在ESR重熔后的TIC-304強化鋼的顯微組織中觀察到有納米級的TiC顆粒存在。一系