《奧氏體耐熱鋼水蒸氣氧化機理研究》是依託西安交通大學，由趙欽新擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：奧氏體耐熱鋼水蒸氣氧化機理研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：趙欽新
- 依託單位：西安交通大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
本項目採用理論分析和實驗研究相結合的方法對超臨界、超超臨界電站鍋爐高溫部件的水蒸氣氧化機理進行系統的研究。首先，在理論分析的基礎上建立了水蒸氣、合金元素及氧化產物等物質的輸運模型；然後，選取3種奧氏體耐熱鋼進行真實模擬的超臨界壓力和溫度環境氧化實驗，藉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，電子遷徙或傳輸規律,結合理論分析、熱力學模擬和實驗研究，研究水蒸氣溫度、壓力、氧化時間等外因對材料氧化皮生成、剝離的影響機理。通過以上多學科交叉、多層次驗證的研究方案，揭示水蒸氣加速奧氏體耐熱鋼氧化進程的機理，提出控制奧氏體耐熱鋼和水蒸氣界面氧化速率的評價指標，建立一套預測氧化速率和抑制氧化進程的方法。本研究將豐富奧氏體耐熱鋼水蒸氣氧化過程的理論體系，為我國超臨界火電機組長周期運行安全保障提供理論和技術支持。
結題摘要
發展先進超超臨界發電技術是我國的重大戰略需求，電站鍋爐蒸汽參數的不斷提高對高等級耐熱鋼和高溫合金綜合性能提出新的挑戰。調查發現：多數已投運超超臨界電站鍋爐的典型耐熱鋼發生了日益嚴重的氧化皮快速生成及剝落現象，而且，未來先進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，以現役和先進超超臨界電站鍋爐典型耐熱鋼為研究材料，以可持續運行的高溫蒸汽氧化裝置和高精度熱重實驗裝置為實驗平台，研究耐熱鋼蒸汽氧化機理。 （1） 在高溫蒸汽中耐熱鋼的氧化動力學均符合拋物線氧化規律，說明耐熱鋼的氧化過程受擴散控制，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數量級。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的氧化物構成，突破了奧氏體耐熱鋼早期氧化生成Cr2O3的傳統理念，發現了合金元素Mn和Nb積極參與奧氏體耐熱鋼早期氧化行為的事實。最後，在X射線光電子能譜深度分析Fe、Cr、Mn和Nb元素的分布規律和熱力學吉布斯反應自由能理論計算的基礎上，提出了奧氏體耐熱鋼在高溫蒸汽中的早期氧化模型。 （2） 奧氏體耐熱鋼長時氧化後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複合氧化物為主的複雜的氧化內層。奧氏體耐熱鋼早期形成的富Cr保護膜的局部失效誘發了耐熱鋼的快速氧化過程。同時發現奧氏體耐熱鋼中Nb(C, N)沉澱相與金屬基體的界面處為富Cr保護膜的薄弱點。 （3）通過氧化物微觀表征和擴散理論計算發現以晶界為Cr離子主要擴散途徑的增多利於快速形成富Cr氧化層，並且提出了TP347HFG和TP347H在高溫蒸汽中的氧化模型。經冷加工處理的TP347H通過減小有效擴散距離和晶界附近增多的位錯提高Cr離子的向外擴散速度，從而在氧化早期形成富Cr的氧化保護膜。 （4）通過對運行管微觀表征，發現蒸汽側氧化皮外層為鐵的氧化物，內層為複雜的Fe-Cr-Ni的氧化物，與實驗室研究結果一致，進一步研究發現：氧化物層與基體前沿發現大量微裂紋，這可能是電站鍋爐實際運行過程中負荷變動引起的疲勞開裂。氧化外層與內層之間的氧化物尺寸差異、孔洞長大聚集及氧化層與基體之間不同的熱膨脹係數的耦合作用導致了氧化外層的開裂與剝落。
