奧氏體耐熱鋼水蒸氣氧化機(jī)理研究結(jié)題摘要

發(fā)展先進(jìn)超超臨界發(fā)電技術(shù)是我國(guó)的重大戰(zhàn)略需求，電站鍋爐蒸汽參數(shù)的不斷提高對(duì)高等級(jí)耐熱鋼和高溫合金綜合性能提出新的挑戰(zhàn)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)：多數(shù)已投運(yùn)超超臨界電站鍋爐的典型耐熱鋼發(fā)生了日益嚴(yán)重的氧化皮快速生成及剝落現(xiàn)象，而且，未來(lái)先進(jìn)超超臨界電站鍋爐候選的典型高溫合金的蒸汽氧化行為也亟待研究，以現(xiàn)役和先進(jìn)超超臨界電站鍋爐典型耐熱鋼為研究材料，以可持續(xù)運(yùn)行的高溫蒸汽氧化裝置和高精度熱重實(shí)驗(yàn)裝置為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究耐熱鋼蒸汽氧化機(jī)理。 （1） 在高溫蒸汽中耐熱鋼的氧化動(dòng)力學(xué)均符合拋物線氧化規(guī)律，說(shuō)明耐熱鋼的氧化過(guò)程受擴(kuò)散控制，且氧化速率隨著耐熱鋼中Cr含量的增加而降低，在同等條件下馬氏體耐熱鋼的氧化增重比奧氏體耐熱鋼高一個(gè)數(shù)量級(jí)。蒸汽氧化初期奧氏體耐熱鋼表面氧化物主要由(Fe、Mn) Cr2O4、Cr2O3和偏析元素Nb的氧化物構(gòu)成，突破了奧氏體耐熱鋼早期氧化生成Cr2O3的傳統(tǒng)理念，發(fā)現(xiàn)了合金元素Mn和Nb積極參與奧氏體耐熱鋼早期氧化行為的事實(shí)。最后，在X射線光電子能譜深度分析Fe、Cr、Mn和Nb元素的分布規(guī)律和熱力學(xué)吉布斯反應(yīng)自由能理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，提出了奧氏體耐熱鋼在高溫蒸汽中的早期氧化模型。 （2） 奧氏體耐熱鋼長(zhǎng)時(shí)氧化后表面氧化物主要包含以Fe的氧化物為主的氧化外層和以Fe-Cr-Ni復(fù)合氧化物為主的復(fù)雜的氧化內(nèi)層。奧氏體耐熱鋼早期形成的富Cr保護(hù)膜的局部失效誘發(fā)了耐熱鋼的快速氧化過(guò)程。同時(shí)發(fā)現(xiàn)奧氏體耐熱鋼中Nb(C, N)沉淀相與金屬基體的界面處為富Cr保護(hù)膜的薄弱點(diǎn)。 （3）通過(guò)氧化物微觀表征和擴(kuò)散理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)以晶界為Cr離子主要擴(kuò)散途徑的增多利于快速形成富Cr氧化層，并且提出了TP347HFG和TP347H在高溫蒸汽中的氧化模型。經(jīng)冷加工處理的TP347H通過(guò)減小有效擴(kuò)散距離和晶界附近增多的位錯(cuò)提高Cr離子的向外擴(kuò)散速度，從而在氧化早期形成富Cr的氧化保護(hù)膜。 （4）通過(guò)對(duì)運(yùn)行管微觀表征，發(fā)現(xiàn)蒸汽側(cè)氧化皮外層為鐵的氧化物，內(nèi)層為復(fù)雜的Fe-Cr-Ni的氧化物，與實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果一致，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)：氧化物層與基體前沿發(fā)現(xiàn)大量微裂紋，這可能是電站鍋爐實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中負(fù)荷變動(dòng)引起的疲勞開(kāi)裂。氧化外層與內(nèi)層之間的氧化物尺寸差異、孔洞長(zhǎng)大聚集及氧化層與基體之間不同的熱膨脹系數(shù)的耦合作用導(dǎo)致了氧化外層的開(kāi)裂與剝落。 2100433B

本項(xiàng)目采用理論分析和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法對(duì)超臨界、超超臨界電站鍋爐高溫部件的水蒸氣氧化機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)的研究。首先，在理論分析的基礎(chǔ)上建立了水蒸氣、合金元素及氧化產(chǎn)物等物質(zhì)的輸運(yùn)模型；然后，選取3種奧氏體耐熱鋼進(jìn)行真實(shí)模擬的超臨界壓力和溫度環(huán)境氧化實(shí)驗(yàn)，借助材料微觀研究和分析的手段研究水蒸氣和合金元素，離子，電子遷徙或傳輸規(guī)律,結(jié)合理論分析、熱力學(xué)模擬和實(shí)驗(yàn)研究，研究水蒸氣溫度、壓力、氧化時(shí)間等外因?qū)Σ牧涎趸ど?、剝離的影響機(jī)理。通過(guò)以上多學(xué)科交叉、多層次驗(yàn)證的研究方案，揭示水蒸氣加速奧氏體耐熱鋼氧化進(jìn)程的機(jī)理，提出控制奧氏體耐熱鋼和水蒸氣界面氧化速率的評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立一套預(yù)測(cè)氧化速率和抑制氧化進(jìn)程的方法。本研究將豐富奧氏體耐熱鋼水蒸氣氧化過(guò)程的理論體系，為我國(guó)超臨界火電機(jī)組長(zhǎng)周期運(yùn)行安全保障提供理論和技術(shù)支持。

奧氏體耐熱鋼(austenitic heat-resisting steel)

水蒸氣透過(guò)率實(shí)際上包含了水蒸氣透過(guò)量和水蒸氣透過(guò)系數(shù)兩個(gè)含義，這兩個(gè)含義所表達(dá)的意思也有一定的區(qū)別，但都可以用來(lái)表示水蒸氣透過(guò)某種材料的能力。水蒸氣透過(guò)量表示在一定的時(shí)間，一定的溫度和濕度條件下，水蒸氣透過(guò)材料的重量。水蒸氣透過(guò)率則是通過(guò)系數(shù)換算的水蒸氣透過(guò)量的標(biāo)準(zhǔn)值，并對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)單位，用于不同測(cè)試結(jié)果之間的比較。

水蒸氣透過(guò)量測(cè)試儀別名透濕儀、水蒸氣透過(guò)率測(cè)試儀、水蒸氣透過(guò)率測(cè)定儀、透水汽實(shí)驗(yàn)儀。是一款專(zhuān)業(yè)用于薄膜試樣的水蒸氣透過(guò)率測(cè)試系統(tǒng)，適用于塑料薄膜、復(fù)合膜等膜、片狀材料與醫(yī)療、建材領(lǐng)域等多種材料的水蒸氣透過(guò)率的測(cè)定。通過(guò)水蒸氣透過(guò)率的測(cè)定，達(dá)到控制與調(diào)節(jié)材料的技術(shù)指標(biāo)，以此滿(mǎn)足產(chǎn)品應(yīng)用的不同需求。