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随着国际能源形势的日益严峻,加上石油、煤炭的传统不可再生能源的日益减少,各大国已经将发展新能源如核能摆放在越来越重要的地位。迄今为止,我国核电蒸汽发生器传热管的管材仍旧大部分依靠进口。鉴于此,本文以国外优异的核电传热管管材800H合金为基础,从元素在合金中的作用作为切入点,合理地配比合金元素含量,制备出数种Fe-Ni基合金,并深入研究它们的高温性能,为进一步优化工艺以制备出更优良的合金给出实验依据。本文着重讨论两种合金,分别是800H(Fe-31Ni-21Cr)及HDG-A(Fe-30Ni-18Cr-3Al1-2Mo)。
通过氧化称重法,研究了两种材料的高温氧化性能,发现HDG-A合金900℃氧化100h的增重量为0.20mg/cm-2,而800H同样条件下增重为0.69mg/cm-2;横截面分析表明,900℃时HDG-A合金的氧化膜基本上由Al的氧化物组成,800H合金的氧化膜从内到外为Cr2O3、Cr-Fe-Mn氧化物及TiO2,这表明800H合金的Cr2O3氧化膜高温时已经失效,而α-Al2O3构成的氧化膜仍具有钝性;详细分析了800H合金高温氧化膜失效机理以及HDG-A合金高温氧化膜保护机制。结果表明,Al元素能极大改善合金的高温抗氧化性能。
对高温蠕变性能的试验研究表明,HDG-A合金的蠕变强度优于800H合金,600℃时HDG-Aσ6001×10-4=372MPa,而800H合金σ6001×10-4=171MPa,但是蠕变断裂韧性较800H合金有较大幅度降低;分析了两种合金的蠕变机制,表明HDG-A合金中Mo和Al元素的存在提高了蠕变强度,但合金在晶界析出了诸如AlN的脆硬相,阻碍了晶界M23C6碳化物的形成,降低了塑性。
试验和分析结果表明,经过优化后的800H合金高温性能比原始成分的合金有较大提升,尤其是高温氧化性能,但是由于熔炼缺陷等因素,材料仍有很大的优化空间。