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新型奥氏体合金铸铁的蠕变行为,新型,奥氏体,合金,铸铁,行为,行动
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新型奥氏体合金铸铁的蠕变行为 摘要 种新型的奥氏体合金铸铁，已经被美国橡树岭国家实验室（ 美国卡特彼勒公司广泛发展，并运用于高温范围包括柴油废气涡轮部件和外壳。 的蠕变强度远远大于 锈钢的标准，并相当于最高强度的奥氏体不锈钢和合金，例如 蠕变特性 ， 在合金的设计方法和评价方面的蠕变测试标本 (超过 20000 小时 )中被讨论过。显微结构表明 ,优秀的抗蠕变强度主要是因为纳米级的 不阻碍金属间化合物 的形成阶段。 1 简介 先进的重型卡车柴油发动机必须有持续高效的继续燃油效率以及减少排气排放，且不损坏耐久性和可靠性。更多的要求需要正常负荷周期排气流形材料和涡轮增压器材料能够承受的温度范围在 70 到 7501以上。这种材料必须承受长时间的、稳定的高温暴露以及高速的热循环。新的减排技术和瞬间转换功率远足可以使这些关键部件的温度更高。当前对于许多铸铁排气组件部分的材料选择是硅钼铸铁，但是现在这个材料以超出其高温强度和腐蚀的局限性的形式被退出。另一个重要的应用机会来自寻求低成本替代镍基高温合金铸件外壳和 大型结构组件的涡轮机制造商，因为机件所需的温度超出了当前铁素体铸铁材料的限制。这些应用程序的需求使得卡特彼勒 (术中心和橡树岭国家实验室 (间形成了研发合作协议 (从而为先进的柴油发动机组件调查各种铸铁不锈钢材料。这项工作最直接的一个进展是一种新的奥氏体铸铁不锈钢，种材料表现出了比硅钼铸铁更戏剧性的提高，表现在 的蠕变、热疲劳、高温抗拉强度和老化的响应 (冲击韧性 )。在本文中，以这种合金老化和试验过程中显微组织变化的数据来讨论新 的 蠕变特性。文章“ 工程设计的微结构 ” 强调用于开发合金的方法，其他的一些潜在的工业应用也被提到。 2 合金设计方法 被用于开发新合金、奥氏体不锈钢和镍基超合金的工程微观结构的方法，是20 多年经验和核反应堆包覆材料专业知识的产物，最初是美国能源部聚变反应堆材料研究项目的一部分 1。应用锻造不锈钢来继续美国能源部化石能源先进材料研究项目对于蒸汽锅炉的应用程序 ,产生各种各样的新合金包括独特的高温下的超细沉淀物，从而来加强钢 (强度，这是唯一具有蠕变强度的奥氏体不锈钢 2。现在，随着 的发展，这种合金设计方法已经成功地应用于奥氏体不锈钢铸件，为 21 世纪卡车伙伴关系和其他美国能源部计划办公室的能源效率和可再生能源。 开发一种具有良好高温强度的奥氏体不锈钢的一般概念是生产一种由微观结构组成的高强度纳米级组织 (如果可能的话 )，且能分散稳定的沉淀 (耐粗化 )。这种显微结构的设计概念还包括消除老化阶段 (西格玛、拉夫斯相等 )和控制沿晶界沉淀的性质。必须被理解和应用的四个合金规则和影响是：反应物影响，催化效果，抑制剂的影响，干扰效应 3。反应物的某些元素如何仅仅直接影响反应形成阶段；例如： C 形成 化效果的影响不是反应物及其他元素形成的速度的影响；例如：硅显著提高 余相的形成。抑制剂的有些相反的催化效果使得某些元素可以延缓动力学或增加其他阶段的形成障碍；例如：碳和硼可以延缓或消除形成热力学稳定的西格玛或拉夫斯相阶段。最后 ,干扰效应只是一种了解元素如何在复杂的合金系统中互相竞争的方式；例如钛可以形成 四个规则包括基于热力学驱动力和动力学现象的明显概念，以及主要利用分析电镜和微观组成分析 (术而观察到的现代纳米显微结构。目前，热力学预测软件，如 相比在镍系和铁素体合金设计的广泛使用，并没有用于设计奥氏体合金。这是因为合适详细的数据库仍然是不可用的。最近神经网络模型已成功地应用于预测阶段的形成在一些常见的奥氏体系统 4，但这样的工具在可以预测复杂合金的显微结构的演化系统之前还有许多工作要做。虽然不是严格意义上的计算工具，但工程组织的方法是目前最有用的设计复杂的奥氏体不锈钢合金的方法，并可以很容易地纳入计算建模工具开发。 3 设计 铸造合金名义上的化学成分 ()有： 铁和抗镍奥氏体合金铸铁；还有锻造合金 :347 304H， 金和 617 合金都如表 1 所示。 347 不锈钢的铸造锻造等级类型。通常情况下 19 锈钢在液态处理加强服务之前 ,但硬质合金在高温析出硬化的能力是重要的。铌碳化物 (铬碳化物 增强成分。在稳定或过稳定的奥氏体不锈钢铸件，如 铁素体存在铸态微观组织。这些材料通常表示出优异的水腐蚀性能，且特别敏感。然而，在长时间高温接触阶段铁素体可以迅速改变 相。因为相的脆化，对于 一个设计要求是产 生稳定的 100%奥氏体组织 ,使 铁素体自由。典型的奥氏体稳定剂包括 C、 N，所有这些元素都是根据合金添加规则精确加入的。除了是奥氏体稳定剂、锰的好处是也增加了奥氏体中 N 的溶解度。当把镍和铬的等价物 制在图 1 中，从图中我们看到 ,合金和 铁素体之间的预测是 10%和 15%。相比之下， 该是奥氏体而没有残余 铁素体。舍弗勒图没有考虑添加 码 用来测量 铁铸件中铁素体数量的。 铁素体的数量 是 当于 14%的 铁素体，而 有检测到任何铁磁行为，这意味着它含有的 铁素体不到 这两个宏观量在舍弗勒的预测图中很好的被预测出来。 第二个设计要求是增加奥氏体基体的强度。 N 的加入能增强奥氏体的强度，众所周知 加入能提高加工硬化率；因此预期，单个 N 和 变强度和疲劳强度。因为 r 和 C 在 都有， 使最初的组织硬化，但不知道是否会在沉淀的大小、位置和形 态上有很大的差异。稍后的讨论有，中显示有纳米 化物，主要是锰添加的效果和结果在改善蠕变强度方面相比 的标准要好。 表 1 名义上合金的成分 () 图 1 舍弗勒图关于 当量 第三个设计要求是要有足够的强度和韧性。分析得 铁素体替换碳化物可能减少在这些枝晶间地区，但经过长时间的老化，树突区域 于缺乏西格玛阶段预计显示更好的延展性。此外，硅含量也减少莱夫斯相的形成。因此，设计理念是要消除所有有害阶段里的 树突区域，只留下强化碳化物。图 2 显示了铸态微观结构下 (腐蚀 )的 )和 )。分析显示，在 表明较大的 铁素体在枝晶间区域，而 现出了碳化物和 铁素体的缺失。微米级的 能被观察到。 铁的典型微观结构如图 3 所示。大的石墨结节是通过基体组织观察到的。 图 2 经抛光和腐蚀过后的 ）和 ）的显微组织 图 3 经抛光和腐蚀过后的 铁的显微组织 4 合金的发展与试验 初的发展是使用两个 33 公斤 (15 磅 )进行实验室规模加热。大量的高温拉伸实验，简单的热机械疲劳试验，和几个各个领域的探索性蠕变测试为机械行为的各领域显示出了极大的提高。同时，决定被用于生产商业加热最好的材料。因此 ,经过不到两年的时间，由实验室规模开发和测试转变扩大到商业材料制作。之后 ,更多的商业加热材料都用两个典型的静态砂铸件和离心铸造技术再生得到。到目前为止，超过 66000 公斤 (30000 磅 )的商业 得到几种不同的应用程序的支持。由于添加了 金表 现出优良的流动性，并且薄壁铸件也容易产生。探索冷却速率的进一步研究在实验室的石墨加热时进行。因此，文章中呈现的蠕变数据覆盖了 2 个实验室规模加热和 2 个商业加热 两个加热 业化生产 铁和高镍奥氏体铸铁，抗镍合金 (高镍奥氏体铸铁 )，因为引擎排气组件是由这些合金组成的，所以进行了比较测试。蠕变测试是在 650 和 850之间执行的，初始压力的恒定负载是从 35到 200 5 蠕变表现 图 4 显示了 和 典型的蠕变应变与时间曲线。这些曲线是通过对相 同的商业化生产的离心铸件 实验室规模的铁进行蠕变测试得到的。测试条件是 750和 140 10 次 )能改善 实用铸造。情节也表明，冷却速率对蠕变的影响对 的属性有影响。静态的石墨铸铁 (快速降温 )，生活破裂扩展速率的 6 倍 (少于 1 个数量级 )慢于冷却离心铸造。此外， 的延展性是 （ 7的 2735%的 的 4 倍。图 5 可明显的观察到断裂韧性的改善，这是一个 对各种 锈钢断裂伸长和时间的测试。 图 4 在 750和 140 离心铸造（冷却速率缓慢）以及 的石墨铸铁（冷却速率快）的蠕变应变与时间曲线 图 5 在 650到 850、 35200 ， 断裂延伸率与时间的关系。相比 为有良好的断裂韧性，所以不会形成脆化的晶界。 为了评估在一系列时间，温度和压力下 蠕变行为， 强度是使用 断裂强度、抗镍合金，以及 铁的 如图 6 所给出的。由 20 个 数组成的是典型的通用材料组成，并不代表优化的 据。如前所述， 数据涵盖了从温度、压力和时间到各种铸件。相比其他柴油机尾气组件，所有 件都显著改善了合金的蠕变强度。对于其他应用程序，包括大型涡轮外壳，应特别重要区别 的蠕变强度。对于一个给定的应力水平 35200 均值比 出约 1500 倍。这相当于在 700的断裂条件下 35 倍的改进，或者是在 100000h 的断裂条件下 60的提高。 图 6 示的柴油机尾气合金情况 正如在合金设计部分 (的描述，专门添加氮是为了提高奥氏体基体的强度以及奥氏体稳定性，添加锰是为了增加氮的溶解度，提高加工硬化的表现。然而，因这些添加物而得到意想不到的结果使得在观察 质合金沉淀成核的结构时形成了巨大的差异。图 7 显示了再 850和 35 件下经过蠕变过程后 透 射电镜图像。 侧图片 )在 493h 后破裂 ,而边图片 )24100 h 后破裂。在 ，较大的 约 200 30布于整个基体。相比之下在 20000 h 后，直径远小于 50 然密集均匀的分布在整个基体组织中。这些优良的 化物在蠕变早期就形成核位错结构，从而降低了在初级蠕变时应变积累的数量，也延长了二次蠕变机制。在 化物之间形成的沉淀物是纯粹的，没有杂质。 图 7 在 850和 35 ，经 493h( 24100h(变处理后 左 ) 和右 )的透射电镜图像。在 23000h 后 示出了均匀分布的纳米大小的织，而 示出了粗糙的 织。 对于 锈钢，这种微观结构形成在一些奥氏体合金系统中，包括一系列 6。由于细小 些高温超细沉淀 (锈钢 (现在被称为 “ 纳米 ” 钢 )有着同镍基超合金同样等级的的蠕变强度，如合金 6172。为了实现分散纳米碳化物和提高蠕变强度，在 化物中要很好的形成位错结构，需具有更大的体积相对于基体组织。通过在实用前对材料冷和暖条件下的测试，在 中会产生高密度的位错网。如果没有在 变形之前进行测试，那么纳米级的 子不能形成而会形成大的 子从而降低蠕变强度。 因为所选用的不锈钢都是经过铸造的，观察到的位错结构，被认为与 与形变处理无关。然而，分散在 的 淀明显比在 的更好。导致结构差异可能的一种解释是锰的添加改变了垛层错能源 (医药 )，而引起更高的能源堆积层错 。由于局部混乱而形成了外堆积层，增加了空缺 7 。 多阶段过程中形成堆垛层错，部分形成位错的攀移和排放的空缺。这个过程间接导致形成 堆积层错 ,通常以循环的形式。在 锈钢中，堆垛层错系统中的一个改变将会是沉淀和分离混合物大小和间距等的重要因素。 另一个因素可能影响 核的因素包括 中的锰和氮。不锈钢中纳米 淀的 据表明他们有一个相对纯粹的成分其中不包含许多其他合金元素 8。如果好的 那将会使 得 动力学增长比 慢。这将意味着 ,在最初沉淀阶段形核和生长处于竞争过程 ,会有更多的成核 ,如果对所有钢的驱动力都是相似的。此外 ,如果 真正的碳化物 ,而不是人们所想的 “ 碳 氮化物 ”(还未曾在钢和类似的合金中观察到 那么 在晶界。这也有利于更多的 形核 ,减少杂质 ,在异相形核处进一步细化 淀。图 7 中右侧的图像是由有位错段的 子所组成的。 形成两种钢之间差异的第三种可能性是 铁素体的存在而不是。在这种情况下 ,由于热膨胀或冷却收缩 ,残余应力降低了 中的铁素体。然而 ,在任何 的铸造数据和拉伸数据中，裂缝没有被检测到，从而显示了延性优于 此 ,这些压力可能是小的。由于快速冷却也可能是由于生成了更多的杂质或是 成核率提高了，合金的抗蠕变强度明显改善。显然 ,更详细的有关材料的电子显微镜分析被用于需要完全理解所观察到的现象。 6 应用 在选择材料为柴油机排气组件选择材料的一个重要因素是成本 ,而另一个是铸造性能。图 6 和表 1 显示， 铁的成 本远低于其他铸铁合金。然而，由于增加了少量的镍、锰、和氮 ,使得 成本与 似，与其他奥氏体不锈钢铸件成本相同或略高。因为细小部分的组成， 金铸铁之间有很大的不同，这将降低组件的重量和成本。对比较薄的部分，耐腐蚀性比 铁的强。目前 ,耐蚀镍合金还被用于某些高温下排气管 ,但其抗蠕变能力比 铁更好。对于废气再循环系统 , 变变形或扭曲是不需要重新设计的一个问题9。将 替换为抗镍合金铸铁的例子如图 8 所示。这是一个由的铸造的排气组件。第一个试验铸件是合理的是无缺陷的。对于为卡车和重型柴油发动机燃气往复式的能源的应用， 供了具有成本效益的解决方案和直接的性能升级，相对与抗镍奥氏体合金铸铁，不需要尝试更多昂贵的镍系高温合金铸件。此外 ,一个重要的高温升级，当前 但部分进行重新设计是必要的 ,以升级一部分这样的成本效益。 图 8 一个 180 公斤的 锈钢排气组 件。（沙模铸造试验是由不锈钢铸造和工程 (美国密尔沃基 )组件通常由耐蚀镍合金奥氏体铸铁。这是一个检查内部缺陷和声音的组件）。 除了柴油机尾气的应用 ,潜在有其他各种高温应用 ,包括大型铸件的天然气和蒸汽涡轮机机壳组件。一些较小的工业燃气涡轮机已经利用 在这种情况下 ,用 换会增加组件的可靠性同时也允许在更高温度或压力下使用。奥氏体不锈钢优先用于汽轮机外壳。埃迪斯通 1 有一种由 316 型不锈钢铸件组成的内在汽轮机汽缸以及各种其他 316 组件包括喷嘴阻塞 10。这个公司 ,建于 1961 年 ,已经有了超过 40 年的蒸汽政权。本汽轮机的原始条件是 648主蒸汽温度 ,高于当今世界最先进的蒸汽涡轮机 ,但是蒸汽条件后来被降级为确保可靠运行的条件 11。仅在过去五年里就有新的蒸汽发电厂建成且蒸汽温度高于埃迪斯通公司。 是一种优良的 316 型铸造合金，其他大多数不锈钢都有好的蠕变强度、抗拉强度和延展性。相比之下， 所示，用 成对一些较强的不锈钢成分 (见表 1)。示了同 似的蠕变强度， 与 N 和 比其强度它似乎更长时间保持在低得多的压力下。当前研究的下一代 轮机已经确定了 625和 617 铸造合金作为在欧洲 划的高温外壳的候选。在这种情况下，当前 9 - 12 素体钢用作外壳还没有满足所需的强度或耐腐蚀蒸汽温度接近700 12。 潜力为汽轮机外壳，作为镍系合金外壳的替代。在这种情况下，蠕变强度最高的可能不是镍基合金，但 有很大的成本优势。因此，美国南加州大学目前正在研究在汽轮机涡轮材料中的奥氏体合金 13。 在铸造的生产成本 上另一个额外因素是铸造过程中的减压或不锈钢铸件所需的热处理方案。 标准做法是铸件在 1050后处理。 不需要铸造热处理过程，会大量减少铸件生产过程所需的时间和金钱。对于非常高的大型组件 ,如蒸汽涡轮外壳 ,可以节约很多的成本，大熔炉必须竖立。由于增加了锰的水平， 现了优秀的铸造性能和熔体流动性。尽管减少 含量 ,还增强了熔体流动性 (是今天被广泛用的脱氧剂 ),的铸造性能和一样好或更好。由于这些原因 ,薄壁组件和厚组件都可以用 生产。 7 总结 奥氏体不锈钢 于利用工程合金微观结构方法的设计。 裂延性标准一个数量级。这种有利的优势是在温度和压力上得到了广泛的应用。此外 ,这些有利的优势在铸态条件下不需要额外的热处理。由于在某种程度上非常稳定的分布着纳米级 淀，所以长期蠕变测试标本在电子显微镜上显示出了这种优势。目前仍在进行更多的研究来更好地理解这种稳定结构的基本机制。目前与柴油机尾气合金相比 ,具有明显的蠕变强 度优势而且可以有效地代替 铁合金和抗镍奥氏体铁合金。合金的进一步评估显示 ,包括 接近的镍系超耐热不锈钢 617 合金，其强度可与商业锻制品相比较。这使得它成为大型蒸汽轮机和燃气轮机涡轮组件包括外壳最有吸引力的候选材料。 致谢 这项研究是由 型车辆推进材料项目办公室内 车辆技术在美国能源部助理部长对能源效率和可再生能源 (发的 ,包括财政支持卡特彼勒公司。同时也受到材料科学与工程的部门 ,基本能源科学部门 ,美国能源部的支持。 参考文献 1 J. of 979. 1988. p. 11661. 2 J. an in J 989;41(7): 1420. 3 , . 003;161(10):579. 4 , of of 002;18:65563. 5 J. of 6. 1993. p. 678707. 6 W, J. of of on of 1992. p. 3342. 7 M, J. bC in 964;10: 36189. 8 J. C in of 2nd of r 1984. p. 4967. 9 10 H. 000 lb/2001F 1. on 1963. p. 711 F, D, J, S, T. to to on in 2528 004. 2005. 12 , W. 001C. 003of 2003. p. 489510. 13 J, G, P, B, R. of to on in 2528 004. 2005. MC in of to a to of 0 of N of 1on r 2006 +of is to as to is of as as to 0 to 501C. as as to of a In of in of of a . 3, . of is of of is to of 006 a of is to in of 0,000h). C 4 (2007) 2128. . N S a of a 2. to 1of an is a of a of or be . to Nb of of in or of or of a of in i iC on on as to is to in 4, is to in it is a is of et ( 34717 . of 47 It a 19is to it is of 23or is in to to s)is to a 00%of i, C, , in In to an n of in i r on a 1, we is to 0% 5% to A a is 4% it of in of is to of
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