【摘要】：為滿足在高溫、高壓等苛刻環境中的服役需求,需要對不銹鋼進行多組元合金化,以期獲得良好的高溫抗氧化性、高溫力學性能。合金化元素的添加,影響著不銹鋼的奧氏體穩定性,在進行成分設計時,需要綜合考慮各元素對奧氏體穩定性、力學性能及抗氧化性的影響。目前使用最廣泛的相結構預測方法是Cr、Ni當量法,但對于不銹鋼的成分當量還缺乏更深入的研究;含鋁奧氏體不銹鋼的成分設計中,關于化學近程序結構對奧氏體穩定性的影響,以及多組元合金化元素的匹配,還缺少定量分析的工具。本論文從成分當量法和化學近程序結構模型入手,基于二元相圖計算相界當量系數,提出判斷奧氏體穩定性的新參量,并用于常用不銹鋼的成分解析;引入描述化學近程序結構的“團簇加連接原子”結構模型,對含鋁奧氏體不銹鋼進行成分解析,通過匹配主合金化元素確定團簇成分式,并基于團簇成分式進行微合金化。主要研究結果如下:1.利用Fe-M二元相圖中特定相邊界的斜率解析不銹鋼的當量,并解析常用不銹鋼成分。首先,通過分析經驗當量系數和Schaeffler組織結構圖得出,當量系數會受元素含量的影響,并且Schaeffler圖可看作多元體系中非平衡相圖的一種特殊表示。接著,用二元相圖中/(+)相邊界的斜率kM評價合金化元素M對相的穩定效率,分別用kM/kNi、kM/kCr計算、穩定元素的相界當量系數,據此計算的118個常用不銹鋼中各元素的相界當量系數,與現有的經驗當量系數基本一致,根據相界當量系數計算了它們的Ni當量和Cr當量,得到的Schaeffler圖上的分布也與其實際組織結構基本吻合。結果表明,由成分決定的/(+)相邊界斜率kM解釋了現有的經驗當量系數,可以用于相界當量系數的計算及不銹鋼當量的解析。2.依據Fe-M二元相圖上的奧氏體分解路徑,提出了全新的分解矢量,以有效評價不銹鋼的穩定性。定義了適用于不銹鋼中任意合金化元素的分解矢量,該矢量從純Fe時,不含M的相向相的分解點(0,912)出發,指向添加元素M后,含M的相的分解產物,并令起點和終點的距離最近。該參量描述了合金化元素M對相區的擴展能力,反映了元素對相的絕對穩定能力,據此計算的Co的當量系數為1,修正了由/(+)相邊界斜率計算的Co的相界當量系數。根據Fe-M二元相圖得到各合金化元素的分解矢量,不銹鋼的總分解矢量為各組元的分解矢量乘以質量百分比的加權和,通過解析118個常用不銹鋼成分,驗證了該參量的可行性和準確性。這個評價不銹鋼奧氏體穩定性的新方法,不需要區分元素類型(穩定或),不需要選擇合適的經驗當量系數,也不需要借助Schaeffler組織結構圖,便可定量計算晶體結構未知的鋼的穩定性,有望被用于新型不銹鋼的相預測。3.引入“團簇加連接原子”結構模型分析了現有含鋁耐熱不銹鋼的成分,設計了具有高溫奧氏體穩定性的合金,并根據實驗結果確定了其團簇成分式。為了精確匹配穩定元素Ni和強穩定元素Al的含量,避免鐵素體的形成,用“團簇加連接原子”結構模型解析了此類不銹鋼的成分,確定了其團簇式中總原子個數為16;結合成分當量,研究Ni和Al不同匹配對固溶水淬(1250℃/1.5h)加時效態(800℃/24h)奧氏體穩定性的影響,固定Ni增加Al(代替Cr)以及固定Al增加Ni(代替Fe),設計了含0.1wt.%C的的兩組合金成分,分別為AlxSi0.05Nb0.15-Fe8.7Ni3.0Mn0.3-Cr3.6-xMo0.2(x0.8、1.0和1.1)以及Al1Si0.05Nb0.15-Fe11.7-yNiyMn0.3-Cr2.6Mo0.2(y3.2、3.4、3.7和4.0),其中下標數字表示元素在團簇式中原子個數。結果表明,Al0.8Ni3.0合金為單相奧氏體,Al1.0Ni3.0和Al1.1Ni3.0合金中奧氏體失穩、鐵素體形成;Al1.0Ni3.2～4.0合金均為單相奧氏體。即在16原子團簇式中,Al0.8(2.45wt.%)和Al1(3.08wt.%)分別需要Ni3.0(20.00wt.%)和Ni3.2(21.43wt.%)來保證奧氏體穩定性,最終確定了該類不銹鋼的團簇成分式:[(Al,Si,Nb)1-(Fe,Ni,Mn)12](Cr,Mo,W)3。4.在含鋁耐熱奧氏體不銹鋼的團簇成分式基礎上,實施微合金化,獲得了高溫抗氧化的系列合金,并驗證了團簇式成分設計方法的有效性。設計了含0.08wt.%C、滿足團簇式[(A10.89Si0.05NbxTa0.06-x)-(Fe11.7-yNiyMn0.3)]Cr3.0-z(Mo,W)z的微合金化系列合金,其中x0.03或0.06,y3.0或3.2,z0.07或0.2。結果表明,所有設計合金均具有單一奧氏體結構,在800℃空氣中氧化200h后的平均氧化速度和平均氧化皮剝落量分別小于0.1g/m2h和1.0g/m2,屬于完全抗氧化級。不含Ta和W的合金表面形成了Cr2O3型氧化層,氧化層下面分布著尺寸達4m的Al2O3顆粒;而含Ta/W的合金中,在外層Cr2O3的下方形成了連續的Al2O3保護膜,有效地阻止了O向合金內部滲透,因而其平均氧化速度(0.0059～0.0093g/m2h)低于不含Ta和W的合金(0.0131～0.0239g/m2h)。結果表明,添加Ta/W有利于形成連續的Al2O3保護膜,在含Ta/W的合金氧化層下方觀察到了AlN顆粒,其中,含W的合金內部有氮化物形成的區域最小,說明添加W能抑制氮進一步向內擴散。