奥氏体耐热310S不锈钢的研究现状

材料的选择

奥氏体耐热钢是接收容器的最佳候选材料。310S不锈钢具有耐高温性能最佳的奥氏体耐热钢之一。其含有较高的镍成分，在服役温度到室温下均为奥氏体结构，具有良好的加工性能和焊接性能；同时其含有较高的铬、硅含量，在高温时形成FeO×Cr2O3、FeO×Fe2O3和FeCr2O4等氧化膜，具有优异的抗高温氧化性能。310S不锈钢一般用于制造各种炉用构件和耐高温设备，可用于火电站锅炉、石油精炼装置、高温炉胆、核电管道等设备上，因此选用310S不锈钢作为制造接收容器的原型材料。但是310S不锈钢在高温下主要依靠固溶强化，强化方式有限，在受到1100℃的工业废料热冲击时，因强度不足而易产生软化现象，进而导致接收容器变形或开裂。因此，如何在保持310S不锈钢良好的高温持久性能、抗氧化性能和耐腐蚀性能的基础上，提高其高温（~1100℃）瞬时强度，是研制接收容器材料的关键不锈钢焊接管。

已有研究表明，在310S不锈钢中适当添加高温稳定的MX相形成元素，使其在服役温度下通过MX相形成析出强化，可以有效提高材料的高温瞬时强度。基于此，本研究提出在310S基础上添加一定的Nb，在高温下形成富Nb的MX相，以提高材料的高温瞬时强度。

奥氏体耐热钢的研究现状

奥氏体耐热钢的发展主要受火力发电锅炉对材料性能需求的驱动。20世纪70年代能源危机以来，燃料成本急剧增加，全世界开始了通过提高锅炉的蒸汽温度和压力来降低发电成本的研究，如图1.2所示为日本火力发电站蒸汽温度和压力的发展过程，可以看出为提高能源利用效率锅炉蒸汽温度和压力不断提升。

随着发电技术的发展和节能减排目标的需要，发展超超临界锅炉技术是全世界范围的共识。为了将310S不锈钢应用到发电站锅炉过热器和再热器部件，提高钢的抗高温蠕变性能和和抗高温氧化/腐蚀性，开展了相关研究工作。日本住友钢铁公司通过向310S耐热钢中加入Nb、N元素，降低C元素开发出了HR3C钢。HR3C中弥散析出的M23C6和NbCrN增强了HR3C的蠕变性能而且在长时间的蠕变阶段σ相的析出得到了抑制[12]，研究结果表明：加入Nb和N的HR3C比310S不锈钢蠕变寿命提高了一百倍。因此HR3C在全世界的火电站大量服役，并被纳入美国的ASTM标准。此外，Sandvik公司通过在310S基础上加入Co、W、Cu和Nb元素得到sanicro25钢；SAVE25钢是在310S基础上加入Nb、V和B提高材料的蠕变性能。不同文献上310S耐热钢改进型的成分如表1.1所示。

奥氏体耐热钢的发展是在完全均一化得奥氏体组织及保持其他性能不下降或者略微下降情况下，使材料的综合性能或某项性能得到提升。目前对310S奥氏体耐热钢的研究主要在如下几个方面：

（1） 调整合金成分

通过微调合金成分来提高高温强度或高温耐蚀性能，如向310S耐热钢中加入N、W、Co等强化元素，通过固溶作用提升材料强度；加入Al等元素，提高材料的抗高温氧化性能。

（2） 调控基体组织和析出相

通过改变奥氏体加工工艺，如轧制工艺、热处理工艺等，改变奥氏体基体晶粒度的大小；加入Nb、Ta等元素在合金中析出细小弥散的MX相，从而达到弥散强化效果。减少C元素以降低M23C6的析出，改善材料的抗腐蚀性能。向310S不锈钢中加入Al，降低C在钢中的扩散速度，使M23C6由连续链状析出变成不连续和岛状析出，同时Al会在合金表面生成Al2O3调高材料的抗氧化性，但是它也会降低材料的韧性和持久性能。整体来讲，结合310S的具体成分确定具体的工艺可有效的提高钢的高温瞬时强度和持久强度。