以 Al2O3为抗氧化层的新型奥氏体耐热钢

　　由于民用核电及超超临界火电工业等工作环境温度在600～850℃之间目前，所以，适合这种工作环境的金属材料问题已成为提高民用核电、火力发电、燃气发电及化工石油等工业能源效率的zui大瓶颈，即需要研制出成本低、700～800℃用的新一代高性能耐热不锈钢。这种新型奥氏体耐热不锈钢的成功研制不但是节能减排有效策略之一，而且可缓解镍金属资源逐渐匮乏的困境。
　　
　　传统的不锈钢因其表面形成Cr2O3膜而实现对基体的有效保护，但在超过600℃的工作环境下，碳化物将粗化，并且Cr2O3保护层会大量挥发，引起材料的灾难性失效。而且，在含水蒸气的环境中，Cr2O3易于和水蒸气形成不稳定的或挥发性的氢氧化物，严重恶化了Cr2O3层的稳定性，导致传统不锈钢的zui高工作温度降低了几百度，而燃烧性环境几乎都含有水蒸气，这就制约了传统不锈钢在许多能源转换行业中的应用。
　　
　　与Cr2O3相比，在高温工作环境下，Al2O3更具有保护作用。Al2O3的生长速度比Cr2O3低1～2个数量级，而且从热力学角度看，Al2O3具有更高的热力学稳定性。然而，以Al2O3为抗氧化层的钢铁材料研究一直没有取得实质性进展，主要原因是Al是一种强铁素体稳定元素，而且需要添加较多的Cr才能促进Al2O3层的形成，而Cr也是一种稳定铁素体元素。这种铁素体结构导致材料抗蠕变性能降低。由此面临着如何在面心立方结构的奥氏体上建立具有优良抗氧化性的Al2O3防护层的课题。
　　
　　2007年，《Science》上报道了一种新型的奥氏体耐热钢，即以Al2O3为抗氧化层的新型奥氏体耐热钢（Alumina-FormingAustenitic，AFA），这类合金与表面形成Cr2O3膜的传统不锈钢相比，在不增加成本以及不降低蠕变抗力和可焊性等其它性能的同时具有更高的使用温度和更好的耐环境侵蚀能力。他们在高温超细沉淀强化奥氏体不锈钢的基础上，加入2.5%Al，并且提高Ni和Nb含量，降低或消除Ti和V元素，并通过一定的冶炼和加工工艺获得了AFA钢。此合金在800℃空气和水蒸气的环境中连续循环氧化长时间而不失效。研究发现，此合金的表面在高温氧化的过程中形成了连续、稳定、致密的Al2O3层，从而大大提高了合金抗高温氧化性能，特别是在含水蒸气的复杂环境中。进一步的研发工作又对该材料进行了C，B，Nb的微合金化，在奥氏体耐热钢基体上形成稳定的纳米级沉淀相NbC，并在高温时形成稳定Fe2Nb和NiAl沉淀相，有力地改善了这种新型奥氏体耐热钢的抗蠕变性能。的AFA钢在750℃高温拉伸时，屈服强度和抗拉强度分别达到了310和480MPa。
　　
　　新型奥氏体耐热钢为解决民用核电、火力发电、燃气发电及化工石油等工业面临的瓶颈——金属材料问题提供了解决方案，应用前景十分广阔。大力开展具有自主知识产权的新一代高性能奥氏体耐热不锈钢的研发工作是突破西方和日本在此领域垄断地位的必要途径，也是解决我国钢铁出口困境和推动国民经济继续发展的保障。