耐热钢S51740因其优良的抗氧化性和热强性,广泛应用于燃气轮机压气机转子叶片等热端部件,导致其失效的主要原因有高温氧化腐蚀、叶片与机匣的摩擦磨损及外来物的冲蚀磨损等。本研究将高温氧化分别与高温摩擦磨损和高温冲蚀磨损两因素结合,同时结合有限元数值模拟,对材料的磨损特性进行研究。研究结果表明:随着氧化温度及时间的增长,氧化物尺寸及数量不断增长,主要为尖晶石状Cu Cr2O4和Mn Cr2O4颗粒,生成机制主要是通过金属元素向外迁移与氧气反应;氧化增重曲线符合抛物线增长规律;连续的循环氧化相当于对材料进行了多次热处理,使材料的显微组织及物理性能较热处理状态发生了变化。循环氧化100小时后,400℃、600℃和800℃材料表面氧化层厚度分别为1 um、2 um和5 um,氧化影响区厚度分别为10 um、20 um和50 um,高温物理性能较基体下降了12%、15%和20%。400℃和600℃时摩擦磨损量及冲蚀磨损量较小,800℃时质量损失量明显增加,该材料在800℃力学性能降幅较大,耐磨性较差,不宜在此温度下长期服役,在600℃以内具有较好的热强性和耐磨性,有效的控制使用温度可以减少磨损。摩擦磨损过程中,400℃时,磨面有摩擦氧化物生成,对磨损起到一定的润滑作用,减缓材料磨损,磨面有明显的犁沟出现,磨损形式主要是氧化磨损和磨粒磨损。600℃时,摩擦氧化物覆盖率上升,磨面有少量犁沟,磨损形式为氧化磨损占主导,同时有磨粒磨损和粘着磨损。800℃时摩擦氧化物均匀覆盖在基体表面,出现了多层摩擦氧化物,与基体的结合松散,失去了对基体的保护作用,磨损形式主要为氧化磨损和粘着磨损。冲蚀磨损过程中,材料的主要失效形式为冲蚀颗粒对材料的切削作用导致材料发生塑性变形超过剪切极限后脱落,且随温度升高塑性变形逐渐加剧。通过数值模拟发现,在氧化影响区及基体的交界处,靶材的应力及应变分布曲线均出现拐点,氧化影响区较基体会发生更大的塑性应变,加速材料在磨损过程中的失效;在摩擦和冲蚀的过程中,旋转颗粒或冲蚀颗粒会将大部分动能转换成靶材的内能,使靶材部分单元温度升高,从而降低局部材料的力学性能,加速材料的磨损。而且环境温度越低,升温越明显,对材料的耐磨特性影响越显著。本研究通过实验和数值模拟相结合的方式,对材料的高温磨损特性进行了研究。对预防材料磨损失效,进一步延长材料服役时长具有重要意义。