（机械制造及其自动化专业论文）渗铝复合激光冲击处理对耐热钢高温力学性能影响研究.pdf

一 学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密。 学位论文作者签名：勇缸l 刁 年月 e t 指导教师签名枨 年月 日 渗铝复合激光冲击处理对耐热钢高温力学性能影响研究 s t u d yo fa l u m e t i z i n gp l u sl a s e rs h o c kp r o c e s s i n go nh i g h t e m p e r a t u r em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fh e a t - r e s i s t a n ts t e e l 江苏大学 2 0 1 1 年6 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 零部件工作时，许多构件是处于高温状态运行，且承受波动载荷 的作用，构件经常发生高温疲劳断裂破坏。采用先进的表面强化技术 延长构件的服役寿命及可靠性，已经成为先进再制造工程中的关键问 题。单一表面处理往往有一定的局限性，满足不了对零件使用的高性 能要求。为此，本文基于渗铝原理与激光冲击强化作用机理，以耐热 钢为研究对象，提出将渗铝工艺与激光冲击处理工艺进行有效复合以 改善耐热钢实际应用环境中出现的问题高温氧化及疲劳裂纹，从 而提高高温条件下耐热钢的疲劳寿命。论文研究的主要工作和取得的 进展如下： ( 1 ) 采用渗铝复合激光冲击处理工艺对1 2 c r m o v 耐热钢进行了表 面改性处理，探讨了渗铝复合激光冲击处理工艺对1 2 c r m o v 耐热钢组 织性能的影响。e d s 分析表明：1 2 c r m o v 耐热钢渗铝后获得了具有较 高的热稳定性及抗高温氧化性能的过渡层，过渡层经过激光冲击强化 处理后，晶粒破碎、细化，相互交错。 ( 2 ) 在不同温度下对激光冲击与渗铝复合激光冲击两种处理工艺 后的0 0 c r l 2 试样进行高温拉伸对比试验。试验研究表明：0 0 c r l 2 经渗 铝复合激光冲击处理后其弹性模量均比仅进行激光冲击强化处理试样 的弹性模量有明显提高，断后伸长率、屈服强度及抗拉强度都略有增 加；在高温拉伸试验中，由于拉伸时间较短，激光冲击处理产生的残 余压应力仍然发挥了作用。 ( 3 ) 根据0 0 c r l 2 耐热钢服役时的温度环境，对两种处理工艺下的 0 0 c r l 2 试样进行了残余应力对比试验；随着保温时间的增加，两种处 理工艺下产生的残余压应力都出现了不同程度的松弛，渗铝复合激光 渗铝复合激光冲击处理对耐热钢高温力学性能影响研究 冲击在2 0 0 巧o o 时残余压应力松弛速率趋于平稳，释放幅度不大； 激光冲击产生的高密度位错与表层晶粒细化将在提高试样的高温力学 性能中起主导作用，且不受外界条件的影响。 ( 4 ) 采用l o c a t i 阶梯式疲劳试验方法在不同温度下对激光冲击与渗 铝复合激光冲击两种处理工艺后的0 0 c r l 2 试样进行高温疲劳对比试 验，并对其疲劳极限进行了快速测定。o o c r l 2 试样经渗铝复合激光冲 击强化后的疲劳极限较激光冲击强化后的提高了3 2 。疲劳断口分析表 明经激光冲击强化处理后，高温情况下激光冲击产生的残余压应力仍 会对早期的疲劳裂纹扩展路径产生影响，随着疲劳过程中残余压应力 的释放，激光冲击对试样表层晶粒的细化作用将会起到延长试样高温 疲劳寿命的主要原因。 关键词：激光冲击强化，渗铝，耐热钢，高温力学性能，疲劳性能 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w r l l e nm e c h a n i c a l e q u i p m e n tw o r k s ，m a n yc o m p o n e n t sm o s t l y e x p e r i e n c ef a t i g u el o a di nas t a t eo fh i g ht e m p e r a t u r e i tw i l ll e a dt ot h e h i g ht e m p e r a t u r e b r e a k d e s t r u c t i o n u s i n gt h e a d v a n c e d s u p e r f i c i a l s t r e n g t h e n i n gt e c h n o l o g yt oe x t e n dt h es e r v i c el i f eo ff a t i g u ea n dr e l i a b i l i t y o fp a r t sh a sb e c o m eak e yi s s u ei na d v a n c e dm a n u f a c t u r i n ge n g i n e e r i n g h o w e v e r , s i n g l es u r f a c et r e a t m e n ta l w a y sh a sc e r t a i nl i m i t a t i o n s ，c a n n o t s a t i s f yt h ep e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t so fp a r t su s e d c o n s e q u e n t l y , t h i s p a p e rb a s e do nt h ep r i n c i p l eo fa l u m i n i z e da n dm e c h a n i s mo fl a s e rs h o c k p r o c e s s i n g ，i tu s e dt h eh e a t r e s i s t a n ts t e e la st h eo b j e c to fs t u d y , a n d p r o p o s e d ，a l u m i n i z i n gp r o c e s s a n dl a s e rs h o c kp r o c e s s i n ge f f e c t i v e c o m p o u n dt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fh e a t - r e s i s t a n ts t e e lu n d e ra c t u a l a p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n t ，s u c ha sh i g ht e m p e r a t u r eo x i d a t i o na n dt h e f a t i g u ec r a c k a n df i n a l l yi m p r o v ef a t i g u el i f eo fr e f r a c t o r ys t e e lu n d e rh i g h t e m p e r a t u r ec o n d i t i o n s t h i sp a p e rg o tt h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n s ： ( 1 ) t h ea l u m i n i z e dl a y e ro f1 2 c r m o va l l o yw a st r e a t e db yl a s e rs h o c k p r o c e s s i n g ( l s p ) w i t hh i g hp o w e ra n ds h o r tp u l s e t h e e f f e c t so f c o n s t i t u e n td i s t r i b u t i o na n dm i c r o s t r u c t u r ec h a n g eo na l u m i n i z e dl a y e ro f 1 2 c r m o va l l o yo ni t sf a t i g u ep e r f o r m a n c ew e r ei n v e s t i g a t e d t h ee d s r e s u l t si n d i c a t e dt h a t1 2 c r m o vh a so b t a i n e de x c e l l e n tt h e r m a ls t a b i l i t ya n d a l u m i n i z e d c o a t i n g s w i t h h i g h - t e m p e r a t u r e a n do x i d a t i o nr e s i s t a n c e t h r o u g ha l u m i n i z i n g ，t h eg r a i no ft r a n s i t i o nl a y e r a f t e rl a s e rs h o c k p r o c e s s i n gi ss m a l l e ra n dm o r eu n i f o r m ( 2 ) t h eh i g ht e m p e r a t u r et e n s i l ec o m p a r i s o nt e s to fo o c r l 2o nt w o p r o c e s s i n gt e c h n o l o g i e sw a sp e r f o r m e da td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s t h e r e s u l t ss h o w e dt h a tc o m p a r e dw i t hl a s e rs h o c k p r o c e s s i n g ，e l a s t i cm o d u l u s o fo o c r l 2i n c r e a s eo b v i o u s l ya f t e ra l u m i n i z e dc o m b i n e dw i t hl a s e rs h o c k p r o c e s s i n g ，a n dt h ee l o n g a t i o nt e n s i l es t r e n g t ha n dy i e l ds t r e n g t hh a v e i n 堡堡墨全鳖查鲨圭竺墨堕堕垫塑壹圣垄堂竺丝皇堕竺垄 s l i g h t l yi n c r e a s e d d u et ot h es h o r tt i m eo fs t r e t c h ，t h ec o m p r e s s i v er e s i d u a l s t r e s s p r o d u c e db yl s ps t i l lp l a y e d a n i m p o r t a n t r o l ei nt h e h i g h t e m p e r a t u r et e n s i l et e s t ( 3 ) a c c o r d i n g t o0 0 c r l 2w o r k i n ge n v i r o n m e n t t e m p e r a t u r e ，t h e r e s i d u a ls t r e s s c o m p a r i s o n t e s th a db e e nd o n eo nt w o p r o c e s s i n g t e c h n o l o g yo fo o c r l 2s a m p l e ；w i t ht h eh o l d i n gt i m ei n c r e a s e d ，t h er e s i d u a l p r e s s u r es t r e s sa p p e a r sd i f f e r e n ta m p l i t u d eo fr e l a x a t i o nu n d e rt h et w o p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y r e s i d u a lp r e s s u r es t r e s sr e l a x a t i o nr a t eg r a d u a l l y t u r n e dt ob es t a b l eb ya l u m i n i z e dc o m b i n e dw i t hl s pi n2 0 0 c 一5 0 0 c ，a n d i t sr e l e a s ea m p l i t u d en o tl a r g e ；t h eh i g hd e n s i t yd i s l o c a t i o na n ds u r f a c e g r a i nr e f i n e m e n tw h i c hp r o d u c e db yl s pw i l lp l a yai m p o r t a n tr o l ei n i m p r o v i n gh i g ht e m p e r a t u r em e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e ，a n dc a n tb ee f f e c t e d w o r k i n ge n v i r o n m e n t ( 4 ) u s el o c a t is t e pf a t i g u et e s tm e t h o dt ot e s t t h e0 0 c r l 2s a m p l e s f a t i g u e l i m i t a t i o nu n d e rt h et w o p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y a td i f f e r e n t t e m p e r a t u r e s ，a n dr a p i d l ym e a s u r e di t sf a t i g u el i m i t a t i o n t h ef a t i g u el i f e o f0 0 c r l 2a f t e ra l u m i n i z e dc o m b i n e dw i t hl s pw a si n c r e a s e db y3 2 a s m u c ha st h es a m p l ew i t hl s p f a t i g u ef r a c t u r ea n a l y s i ss h o w st h a tr e s i d u a l c o m p r e s s i v es t r e s sp r o d u c e db yl a s e rs h o c kp r o c e s s i n gw i l le f f e c to ni t s e a r l yf a t i g u ec r a c kg r o w t hp a t hi nh i g ht e m p e r a t u r e w i t ht h er e l e a s eo f r e s i d u a lc o m p r e s s i v es t r e s si nf a t i g u ep r o c e s s ，t h ee f f e c t so fs u r f a c eg r a i n r e f i n e m e n tb yl a s e rs h o c kp r o c e s s i n gw i l lp l a yad o m i n a n tr o l ef o rt h e e x t e n s i o no f f a t i g u el i f eo nh i g ht e m p e r a t u r e k e yw o r d s ：l a s e rs h o c k p r o c e s s i n g ，a l u m i n i z i n g ，h e a t - r e s i s t a n ts t e e l ， h i g ht e m p e r a t u r em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，f a t i g u ep r o p e r t i e s i v 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 1 2 1 3 1 4 第二章 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 第三章 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 第四章 4 1 4 2 目录 l 研究背景。1 1 1 1 耐热钢的分类2 1 1 2 耐热钢的应用3 1 1 3 耐热钢应用中存在的问题。5 耐热钢的表面处理。5 1 2 1 渗铝处理6 1 2 2 喷丸处理6 1 2 3 等离子喷涂处理6 1 2 4q p q 盐浴复合处理7 激光冲击处理技术。7 1 3 1 基本原理7 1 3 2 工艺特点8 1 3 3 发展现状。9 本文的研究内容和研究意义1 0 渗铝复合激光冲击处理工艺方法研究。一。一。1 2 弓i 言1 ：! 渗铝工艺1 2 激光冲击强化的作用机理。1 3 渗铝复合激光冲击处理工艺1 4 本章小结。1 6 渗铝复合激光冲击处理对1 2 c r m o v 组织性能的影响一一1 7 引言1 7 实验材料1 7 试验方法。1 8 结果与分析1 9 本章小结2 4 渗铝复合激光冲击处理对o o c r l 2 高温力学性能的影响。2 5 引言2 5 实验材料2 6 v 渗铝复合激光冲击处理对耐热钢高温力学性能影响研究 4 3 拉伸试验2 7 4 3 1 应力应变分析2 7 4 3 2 拉伸断口形貌分析2 9 4 4 残余应力试验3 1 4 4 1 结果与分析3 2 4 5 疲劳试验3 3 4 6 疲劳极限3 4 4 6 1 l o c a t i 阶梯式疲劳试验方法3 4 4 6 2 激光冲击疲劳试验数据处理3 5 4 6 3 复合处理疲劳试验数据处理3 8 4 7 疲劳断口4 1 4 7 1 激光冲击疲劳断口。4 1 4 7 2 复合激光冲击疲劳断口4 2 4 7 3 断口分析。4 3 4 8 本章小结4 4 第五章总结与展望 垂参考文南失。4 8 j 【 谢一。5 3 攻读硕士学位期间发表的论文与科研情况。5 4 江苏大学硕士学位论文 图目录 图1 1 激光冲击处理原理图8 图2 1 渗铝处理与激光冲击复合处理工艺流程图。1 6 图3 1 高功率钕玻璃激光器装置系统1 8 图3 21 2 c r m o v 合金钢渗层截面s e m 图1 9 图3 3 渗铝层元素深度分布图2 0 图3 4x r d 物相图谱测试位置分布2 1 图3 5 试样横截面x r d 物相图2 2 图3 6 激光冲击渗铝后的横截面扫描图2 2 图3 7 激光冲击前后1 2 c r m o v 试样过渡层组织的s e m 图2 3 图4 10 0 c r l 2 合金耐热钢标准拉伸疲劳试样( 激光冲击件) 2 6 图4 2 渗铝复合激光冲击后的0 0 c r l 2 试样2 6 图4 3m t s 8 0 9 a x i a l t o r s i o n a lt e s ts y s t e m 高频疲劳试验机。2 7 图4 4 不同温度条件下的拉伸应力应变曲线。2 8 图4 5 不同温度下0 0 c r l 2 在激光强化后合金力学性能变化示意图2 9 图4 6 不同温度下0 0 c r l 2 拉伸断口形貌特征3 0 图4 74 0 0 时0 0 c r l 2 在两种不同处理工艺下的拉伸断口s e m 图3 0 图4 8x 3 5 0 a 型x 射线应力测定仪3 1 图4 9 不同处理工艺下0 0 c r l 2 表层残余应力在不同温度时的松弛情况3 2 图4 1 0 不同温度下0 0 c r l 2 表层残余应力随保温时间变化示意图3 3 图4 1 1l o c a t i 法测定疲劳极限示意图3 5 图4 1 2 确定值的诺模图3 6 图4 1 3l o c a t i 法得出的粤6 曲线3 8 i - i v l 图4 1 4l o c a t i 法得出的睾6 曲线4 1 j 月i 图4 1 54 0 0 下0 0 c r l 2 耐热钢激光冲击后的疲劳断口截面s e m 图4 2 图4 1 64 0 0 下0 0 c r l 2 耐热钢经渗铝复合激光冲击后的疲劳断口截面s e m 图。4 3 v 渗铝复合激光冲击处理对耐热钢高温力学 生能影响研究 表目录 表3 11 2 c r m o v 合金化学成分( 质量分数) 1 7 表3 21 2 c r m o v 合金常温下的力学性能1 8 表4 1 国内外0 0 c r l 2 型不锈钢的化学成分( 质量分数) 【q 。2 6 表4 20 0 c r l 2 合金化学成分2 6 表4 34 0 0 时0 0 c r l 2 耐热钢在不同处理工艺下的力学性能3 3 表4 4 确定假定疲劳曲线z 倾角的正切3 6 表4 5 假定疲劳曲线西循环比的确定3 6 表4 6 假定疲劳曲线斫循环比的确定3 7 表4 7 假定疲劳曲线西循环比的确定3 7 表4 8 假定疲劳曲线的损伤总和的计算3 7 表4 9 确定假定疲劳曲线西倾角的正切3 9 表4 1 0 假定疲劳曲线斫循环比的确定3 9 表4 1 1 假定疲劳曲线诉循环比的确定3 9 表4 1 2 假定疲劳曲线西循环比的确定。4 0 表4 1 3 假定疲劳曲线的损伤总和的计算4 0 v 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 耐热钢是指在高温下工作具有一定强度、抗氧化和耐腐蚀能力的钢种。耐热 钢在高温下工作，它要具有两方面的性能，即高温稳定性( 热化学稳定性) 和高温强 度。通常在高温下抗氧化或抗高温介质腐蚀而不破坏的钢叫做抗氧化不起皮钢( 又 叫抗氧化钢1 。在高温下有一定抗氧化能力并具有足够的强度而不会出现大量变形 或断裂的钢叫做热强钢【1 1 。 耐热钢常用于制造锅炉、汽轮机、动力机械、工业炉和航空、石油化工等工 业部门中在高温下工作的零部件。这些部件除要求高温强度和抗高温氧化腐蚀外， 根据用途不同还要求有足够的韧性、良好的可加工性和焊接性，以及一定的组织 稳定性。低合金耐热钢兴起于2 0 世纪3 0 年代，其主要是在普通碳素钢中加入c r 、 m o 、v 、n b 、t i 、b 、w 等合金元素形成的。与碳钢相比，低合金耐热钢不仅具 有良好的抗氧化性、持久热强性，还具有比较好的抗硫腐蚀和抗氢腐蚀性能。另 外，低合金耐热钢中合金元素含量少，价格便宜，并具有优良的工艺性能和物理 性能，因此比其他类型的耐热钢应用更为广泛【2 】。随着现代化工业的迅速发展，低 合金耐热钢越来越广泛地应用于电力、化工、石油、原子能、航空等高速发展和 尖端行业，对材料的性能也提出了更高的要求：如更高的高温强度、高温疲劳强 度以及良好的塑性；同时还必须具备更好的高温抗氧化性、稳定性和工艺性能【3 1 。 我国白1 9 5 2 年开始生产耐热钢，五十年代末，珠光体型热强钢的使用温度还 不超过5 5 0 ，经过以后十年的研究，适当调整原有钢的成分以及添加少量其他合 金元素，六十年代即提高至u 5 8 0 。近年来，我国研制的新钢种，其工作温度已达 5 0 0 6 2 0 ，达到了世界先进水平，广泛应用于发电厂中锅炉、汽轮机、发电机 及管道等重要零部件，如低碳珠光体热强钢主要用于制造锅炉钢管，其中发展得 较好的是1 2 c r m o v ，用于5 4 0 。c 的导管，5 8 0 。c 的过热蒸汽管 4 1 。0 0 c r l 2 耐热钢合金 是在2 0 世纪8 0 年代初，由南非哥伦布不锈钢公司研制开发的一种镍含量很低的经 济型铁素体耐热钢钢( 相当于日本开发并广泛使用的s u s 4 1 0 l 及南非开发的3 c r l 2 低铬铁素体不锈钢) ，中国也在近几年中研制生产了此类耐热钢，其含铬量较低 ( 1 1 - 一1 2 c r ) ，碳、氮含量也较低( c + n 卯0 3 ) 。它具有良好的耐大气腐蚀性能、 渗铝复合激光冲击处理对耐热钢高温力学性能影响研究 较高的强度、塑性和韧性，被广泛应用于交通运输装备、环境保护设备、各种贮 罐、城市公共设施。在不锈钢消费结构中，由于贵金属镍价格高，此类铁素体不 锈钢的比例以年增1 5 2 0 速度发展，被称为经济型耐热不锈钢，应用前景广阔 【5 ，6 l o 1 1 1耐热钢的分类 耐热钢的应用十分广泛，而且数量繁多。按其显微组织主要分为四类：珠光 体耐热、奥氏体耐热钢、铁素体耐热钢和马氏体耐热钢。其中珠光体耐热钢属于 低、中合金耐热钢，其它类型为高合金耐热钢【1 。 ( 1 ) 珠光体型耐热钢一在室温和工作温度下这类耐热钢的组织是珠光体( 或主 要是珠光体和含有少量的铁素体) 。合金元素以铬、钼为主，总量一般不超过5 。 这类钢在5 0 0 6 0 0 有良好的高温强度及工艺性能，价格较低，广泛用于制作 6 0 0 以下的耐热部件。典型钢种有：1 6 m o ，1 5 c r m o ，1 2 c r l m o v ，1 2 c r 2 m o w v t t b ， l o c r 2 m o l ，2 5 c r 2 m o l v ，2 0 c r 3 m o w v 等。 ( 2 ) 铁素体类型耐热钢在室温和使用温度条件下这类钢的组织是铁素体，含 有较多的铬、铝、硅等元素，形成单相铁素体组织，有良好的抗氧化性和耐高温 气体腐蚀的能力，但高温强度较低，室温脆性较大，焊接性较差。o c r l 3 、c r l 7 、 c r 2 8 等钢种均属此类，一般用于制作承受载荷较低而要求有高温抗氧化性的部件。 ( 3 ) 奥氏体型耐热钢一在室温和工作温度条件下该类钢的组织为奥氏体( 有时 有析出的碳化物) 。含有较多的镍、锰、氮等奥氏体形成元素，在6 0 0 c 以上时， 有较好的高温强度和组织稳定性，焊接性能良好。通常用作在6 0 0 以上工作的热 强材料。代表性的钢种是含镍高于8 的铬镍奥氏体耐热钢，如1 8 8 铬镍耐热钢， c r 2 5 n i 2 0 耐热钢等，后者是高温裂解炉管用的材料。 ( 4 ) 马氏体型耐热钢一在室温下组织为马氏体。含铬量一般为7 1 3 ，在6 5 0 c 以下有较高的高温强度、抗氧化性和耐水汽腐蚀的能力，但焊接性较差。含铬1 2 左右的1 c r l 3 、2 c r l 3 ，以及在此基础上发展出来的钢号如1 c r l l m o v ，1 c r l 2 w m o v ， 2 c r l 2 、m m o n b 等。 此外，按耐热钢的特性可分为抗氧化钢( 或称高温不起皮钢) 和热强钢两类。 抗氧化钢一般要求较好的化学稳定性，但承受的载荷较低。热强钢则要求较高的 高温强度和相应的抗氧化性。 2 江苏大学硕士学位论文 1 1 2 耐热钢的应用 耐热钢的主要优点是：合金元素含量少，价格便宜，并具有优良的工艺性能 和物理性能，为其他类型的钢所不及。耐热钢在锅炉、汽轮机和燃气轮机制造以 及化工、石油、核动力等部门获得广泛的应用【2 】。 ( 1 ) 在锅炉设备中的应用 在锅炉设备中耐热钢主要用于过热器管子、导汽管、主蒸汽管、集箱和再热 器管子等零部件，特别是在高压和超高压锅炉中大量使用低合金耐热钢。国内高 压和超高压锅炉管子用钢，除了水冷壁管和省煤器管采用2 0 a 碳钢外，过热器管、 再热器管、导汽管和主蒸汽管等均采用低合金耐热钢，如1 5 c r m o 、1 2 c r l m o v 、 1 2 m o v w b s i r e ( 无铬8 号) 、1 3 s i m n w v b ( 无铬7 号) 、1 2 c r 2 m o w v b ( 钢1 0 2 ) 、 1 2 c r 3 m o v s i t t b ( i i1 1 ) 等钢种。 国外当蒸汽温度在5 4 0 以下时，采用的管子钢一般是：低合金c r - m o 钢、 m o v 钢和1 c r - m o v 钢等。用于锅炉过热器管子的c r - m o 钢大致有三种： 0 5 c r - o 5 m o 、1 2 5 c r - 0 5 m o 和2 1 4 c r - l m o 钢，其中以2 1 4 c r - i m o 钢在锅炉中应用 最广，该钢是一种比较成熟的管子材料。除了2 1 h c r - l m o 钢外，美国还使用 i c r - i m o 0 2 5 v 钢作过热器管子材料；英国采用0 5 c r - o 5 m o 0 2 5 v 钢；苏联用 1 2 x 1 m o 钢。此外，西德、瑞士还使用m 洲钢作管子材料。 ( 2 ) 在汽轮机中的应用 汽轮机的主轴和叶轮、转子、紧固件( 螺栓和螺母) 、汽缸、喷嘴室、汽机阀门、 隔板及部分叶片材料都是用低合金耐热钢制造的。 国内高压汽轮机转子材料是采用2 7 c r 2 m 0 1 v 钢，铸件是用z g l 5 c r l m o l v 和 z g 2 0 c f m o v 钢，紧固件钢原用2 5 c r 2 m o l v 钢，以后逐渐被2 0 c r l m o l v t b 和 2 0 c r l m 0 1 岣n b 新螺栓钢所代用。 国外蒸汽温度5 4 0 。c 的高压和超高压机组所采用的转子、紧固件( 螺栓) 和汽缸 等材料各国大致是相似的，基本上采用1 c r m o v 低合金耐热钢。 ( 3 ) 在燃气轮机中的应用 近年来，随着低合金耐热钢热强性的提高和燃气轮机采用冷却技术的发展，使 燃气轮机转子、叶轮的轮毅工作温度降低到5 5 0 左右，从而扩大了低合金耐热钢 在燃气轮机中的应用。低合金耐热钢可用来制造工作温度5 7 0 。c 以下的燃气轮机转 3 渗铝复合激光冲击处理对耐热钢高温力学性能影响研究 子、叶轮和紧固件等零件。目前在燃气轮机的汽缸及其他铸件中也有采用低合金 耐热钢铸造的。 我国采用了2 0 c r 3 m o w v 低合金耐热钢制造6 0 0 0 珏燃气轮机的焊接转子，同 时还用于3 0 0 0 匹马力燃气轮机转子以及2 5 0 0 0 珏燃气轮机转子。另外将2 0 c r m o 钢用于2 5 0 0 0 珏燃气轮机的高压外缸，其工作温度为4 5 0 。 ( 4 ) 在化工、石油设备中的应用 低合金耐热钢在化工、石油设备中主要用于炉管、热交换器和其他受热面管 子、高压加氢设备中的各种管道和高温紧固件。 国内，低合金耐热钢在化工、石油设备中也获得广泛应用。1 5 c r m o 、1 2 c r m o v 钢主要用于石油精炼厂的炉管、热交换器管及其他受热面管。1 2 c r 2 m o 钢管在蒸 汽中最高使用温度为5 4 0 ，在油中最高使用温度为6 0 0 ，在腐蚀性较弱情况下 可用作c r 5 m o 钢的代用钢。1 8 c r 3 m o w v a 钢是一种高压抗氢钢，其最高工作温度 为5 3 0 ，现在用于3 2 5 大气压、温度4 8 0 以下裂化设备用管子和其他零件。最 近国内发展的1 5 a 1 3 m o w t i 钢高温持久强度和抗氧化性能均比c r 5 m o 钢优越，可 代用c r 5 m o 钢。2 5 c r 2 m o v a 钢用于4 5 0 巧5 0 、1 6 0 大气压化工、石油设备法兰 的紧固件和双头螺栓。 ( 5 ) 在核反应堆中的应用 同样，低合金耐热钢在核反应堆中也获得较多的应用，它主要用作核反应堆 的高压容器、一次和二次管路系统、中间热交换器等结构材料。用低合金耐热钢 代替奥氏体钢作高温结构材料，可使成本费用降低。 目前用于核反应堆结构材料的低合金耐热钢有下列几种：1 c r - 0 5 m o 、 2 1 4 c r - 1 m o 和稳定化的2 1 4 c r - 1 m o n b n i 钢。其中2 1 h c r - l m o 钢常用于钠冷反应 堆的高压容器、第一、二次管路系统和蒸发器，特别是改型后的2 1 h c r - l m o n b n i 钢，在管路系统、中间热交换器和蒸发器中获得大量应用。根据4 2 0 巧2 0 用3 x 1 0 2 0 中子厘米2 剂量作辐照试验，2 a 4 c r - l m o n b n i 钢的抗拉、冲击性能和焊接性能都 没有很大改变。这种钢最高使用温度为5 9 0 。 ( 6 ) 在航天上的应用 低合金耐热钢在火箭上用于固体燃料火箭燃烧室的薄壁圆筒，它要求短时间 内在5 0 0 c 左右保持1 0 0 公斤毫米2 的高强度钢。国外最初曾用a i s l 4 1 3 0 钢制造 4 江苏大学硕士学位论文 固体燃料火箭的燃烧室，目前经改进后采用a i s l 4 3 4 0 、x 2 0 0 和3 0 0 m 钢。 1 。1 3 耐热钢应用中存在的问题 耐热钢具有良好的抗氧化性、持久热强性，还具有比较好的抗硫腐蚀和抗氢 腐蚀性能。另外其合金元素含量少，价格便宜，并具有优良的工艺性能和物理性 能，因此广泛用于火力发电、原子核能、宇航、航空、石油和化工等技术领域。 由于耐热钢工作环境的特点，很多工程结构和机械装备长期承受高温和交变载荷 作用，而且要承受环境介质的氧化和腐蚀作用。这些结构和装备在高温氧化、腐 蚀和疲劳的作用下材料损伤产生裂纹并不断扩展，最后引起泄露或爆炸，导致重 大经济损失和人员伤亡等。 工业中由于这类时间相关的高温疲劳裂纹扩展引发的事故时有发生，据统计 在1 9 5 5 年至1 9 8 0 年的2 5 年间，国外有近3 0 根汽轮机转子发生断裂事故。又例如， 1 9 7 4 年6 月美国一个大型电站的c r m o v 钢透平转子经过1 0 6 0 0 0 d s 时和近3 0 0 次起动 和停车后发生了突然破坏，经分析发现这种破坏是由于环境氧化与高温疲劳间的 双重作用所引起的【明。耐热钢设备长期在高温环境下工作，其表层会发生不断的氧 化，在外加交变载荷作用下氧化层生长到一定程度，就会在优先氧化及应力集中 的位置产生初始裂纹，紧接着新的氧化层又会在裂纹尖端产生，这样周而复始的 材料氧化破坏过程的不断重复，会使设备表层的裂纹不断扩展形成危险部位，其 中最严重的局部如果不及时被修复就会产生突然断裂而引发严重事故【9 】。 另外，高参数电站锅炉受热面管子的失效原因中，外壁腐蚀与内壁水蒸汽氧 化占有重要地位，也是引起锅炉爆漏事故的本质原因之一【1 0 1 。采用有效的工艺技 术手段对管子表面进行处理，提高材料抗腐蚀性能，有效降低腐蚀产物的生长速 度，可以长期保持高的热传导系数，降低由于锈层增厚引起的壁温升高幅度，保 证管材热强性能，减少爆漏事故的发生，延长管子的使用寿命，提高锅炉的安全 运行水平。 1 2 耐热钢的表面处理 由于表面氧化及微小裂纹是耐热钢构件发生失效的主要原因，因此可以通过 适当的表面处理来改善材料的表面性能，解决耐热钢在应用中存在的氧化与微裂 纹问题。目前，国内外对耐热钢所采用的表面改性措施主要有渗铝、喷丸、q p q 盐 浴复合处理、等离子喷涂、激光表面处理等。 5 渗铝复合激光冲击处理对耐热钢高温力学性能影响研究 1 2 1渗铝处理 在一定温度下将铝原子渗人工件表面的化学热处理工艺称为渗铝。渗铝是一 种既可以保持工件基体的韧性，又可以提高工件表面的抗氧化和腐蚀能力的化学 热处理方法，渗铝工件耐大气腐蚀性能比渗锌工件更好。渗铝还可改善铁基粉末 合金、铜合金和钛合金的力学性能用低碳钢渗铝后可能代替价格较高的铬钢和镍 铬钢制造某些零件1 1 1 】。 渗铝件具有良好的抗高温氧化性。耐热钢渗铝后在9 8 0 1 1 0 0 的耐用度是未 渗铝的5 倍。渗铝层抗大气腐蚀优于渗锌，渗铝层还能抗h 2 s 、s 0 2 、c 0 2 、碳酸、 硝酸、液氨、水煤气的腐蚀，特别抗硫化氢腐蚀的能力尤为显著。渗铝方法可分 为粉末渗铝和涂覆扩散渗铝两类。渗铝虽然可以提高耐热钢的抗氧化性能，但由 于2 0 3 在热循环过程中易剥落，加快了渗铝层的退化过程【1 2 ，1 3 1 。 1 2 2 喷丸处理 喷丸处理属于一种金属表面形变强化技术【1 4 1 。喷丸强化在金属表面产生压缩 变形，使表面形成形变硬化层，在此形变硬化层中产生两种变化：一是组织结构 上，亚晶粒极大地细化，位错密度增加，晶格畸变度增大【1 5 1 ；二是形成了高的宏 观残余应力【1 6 1 。因此，喷丸表面强化层有着与未喷丸表面以及内层材料完全不同 的表面形貌、组织结构和应力状态。 耐热钢喷丸加工处理后，使原始表面氧化膜重建，表层晶粒或亚晶粒得以细 化，增加表层位错、亚晶界等缺陷密度，提高表面能量，有利于氧化初期氧化物 江苏大学硕士学位论文 在基底上铺展并凝固形成层片，进而通过层片叠层形成涂层的一类加工工艺。等 离子喷涂具有超高温特性，能够喷涂高熔点的涂层材料；涂层致密，粘结强度高； 涂层材料不易氧化。在耐热钢基体材料表面采用等离子喷涂工艺制备涂层，能够 大幅度提高基体材料的显微硬度，表面耐磨、耐蚀、抗氧