论文部分内容阅读
颗粒弥散强化钢铁基材料(以下简称强化钢)由于兼有增强相和钢铁基体的优良性能,因此能够在某些苛刻环境下服役,以满足实际工况需求。近十年来发展起来的原位合成技术具有制备工艺简单、成本低、易于实现工业化生产和实际应用等优势,已成为制备颗粒弥散强化钢的一种重要方法。本文以四种MC型碳化物:TiC、VC、(Ti,V)C和NbC为强化相,以304奥氏体不锈钢为母合金,采用原位合成工艺成功地制各了多种MC-304强化钢。综合应用了多种现代分析手段研究了强化钢的显微组织和MC颗粒的形貌和分布,并系统地研究了强化钢的力学性能、高温氧化性能和高温蠕变性能。
对强化钢的显微组织的研究表明,在各种强化钢的铸态组织中,MC颗粒分布基本均匀,只有在碳化物体积分数较高的强化钢中出现了轻微的颗粒团聚。TEM观察表明,各种MC碳化物颗粒与基体相(奥氏体)之间的结合良好,界面上没有出现反应物或污染,说明本文采用的工艺是成功的。
在304不锈钢中引入MC碳化物后,强化钢的基体组织均得到显著的细化。在TIC-304和(Ti,V)C-304强化钢铸态组织中,碳化物颗粒呈多边形颗粒状,而在VC-304和NbC304强化钢的铸态组织中碳化物颗粒成条状。强化钢中各种MC颗粒的大小一般在微米尺度,然而在形变态的VC-304强化钢中,TEM观察还发现了纳米尺寸的VC颗粒。强化钢经热锻和热处理后,TiC和(Ti,V)C颗粒形貌未发生明显改变,但条状的NbC和VC颗粒被破碎,均匀地分布于显微组织中。
显微组织分析和DSC试验的结果显示,几种MC碳化物在熔铸过程中的形成机制并不相同。其中TiC、(Ti,V)C和NbC颗粒是预制块进入高温钢液后发生的自蔓延反应所生成,而VC-304强化钢在熔铸过程中未发生自蔓延反应,预制块中的V和C在高温下溶入钢液。VC颗粒是在强化钢凝固温度以下形成的。
TiC-304、(Ti,V)C-304和NbC-304强化钢的基体组织都是单一的γ相(奥氏体),说明这些碳化物的引入没有改变母合金的相组成。然而在VC-304强化钢显微组织中出现了一定体积分数的铁素体。由于V是强烈的铁素体稳定元素,这进一步说明在VC-304强化钢的熔炼过程中有部分V溶入了基体。和母合金一样,在TiC-304和VC-304铸态组织中存在少量Cr23C6碳化物,然而经热锻和热处理后,强化钢中的Cr23C6显著增多。进一步的试验研究表明:TiC强化钢中Cr23C6形成是由于在热加工过程中TiC脱碳所致。
高温抗氧化试验结果表明,这几种MC碳化物对304不锈钢氧化行为的影响有显著的区别。在850℃的温度下,TiC的引入显著提高了母合金的高温抗氧化性能,而VC和(Ti,V)C的引入却严重恶化了母合金的高温抗氧化性能。NbC的引入对母合金抗氧化性能的影响也是负面的,但远不如VC的影响严重。
在850℃和900℃温度下,TiC-304强化钢的抗氧化性能随TiC体积分数的增加而提高。一系列的微观分析显示,TiC颗粒的引入之所以能有效提高母合金的抗氧化性能,是因为它促进了Cr离子向氧化膜外表面扩散,加速Cr的选择性氧化作用,加快了含Cr的保护性氧化膜的形成。此外,TiC的加入使304不锈钢氧化膜组织细化,使之与基体之间的附着力增强,避免了氧化膜开裂。
VC的引入对304不锈钢高温抗氧化性能产生的严重负面效应是因为在本文的试验温度(850℃下,V的氧化产物V2O5呈液态,形成的氧化膜不具有良好的保护作用。固液物理状态的差别导致氧化膜生长不连续,出现严重开裂和剥落现象。
对强化钢的力学性能测试表明,MC颗粒的引入都使强化钢的室温和高温强度得到显著提高。其中VC颗粒的强化效果最好,而NbC的强化效果相对最弱。然而,所有强化钢的塑性都由于MC颗粒的引入增强相而出现不同程度的下降。在TiC和VC强化钢中,力学性能随着颗粒体积分数的增加呈现相反的变化规律。随着TiC含量的增加,TIC-304强化钢的力学性能随之升高:而随着VC含量的增加,VC-304强化钢的力学性能却随之下降。对于TiC-304强化钢,拉伸过程中TiC颗粒的断裂是其断裂失效的主要机制。在VC-304和NbC-304强化钢拉伸断口上,除了出现增强相颗粒断裂外,还在基体中观察到大量裂纹。
在700℃/100 Mpa的条件下,MC颗粒的加入都有效地提高了304不锈钢的高温抗蠕变性能。对于TiC-304和vc-304强化钢,MC的体积分数越高,抗蠕变性能的改善越显著。系统的蠕变试验显示,在温度为650～750℃,应力为80～150MPa条件下,304不锈钢和TiC-304强化钢的蠕变主要受位错攀移机制控制。TiC-304强化钢的应力指数和表观蠕变激活能都分别高于母合金的应力指数和激活能,且应力指数和蠕变激活能都随着TiC颗粒体积分数的提高而升高。
本文选择综合性能最好的TiC-304强化钢进行了电渣重熔(ESR)工艺试验。结果显示,ESR后,强化钢的铸态组织和TiC颗粒得到了进一步的细化,同时TiC颗粒分布的均匀性也明显改善。在ESR重熔后的TIC-304强化钢的显微组织中观察到有纳米级的TiC颗粒存在。一系列性能试验的结果表明,TiC-304强化钢经ESR后,综合力学性能得到进一步的提高。尤其是抗高温蠕变性能的提高,这对推广强化钢的应用具有重要的意义。