[发明专利]一种自发形成Al2O3保护层的奥氏体耐热不锈钢

说明书

技术领域：

本发明属于金属材料中的奥氏体耐热不锈钢领域，特别是在高温下能在表面自发形成以Al₂O₃为主的保护层，具有优越的高温抗氧化性和力学性能。

背景技术：

奥氏体耐热不锈钢广泛应用于汽轮发动机、蒸汽管道及柴油发动机等高温或高温腐蚀环境下，现有的奥氏体不锈钢主要是在合金表面通过Cr元素形成Cr₂O₃，得到高温抗氧化性能。但在高温含水蒸汽或其它腐蚀介质环境中，Cr₂O₃易生成具有挥发性的氢氧化物，破坏抗氧化膜，使材料的服役寿命大大减短。在高温环境下，从热力学角度而言，Al₂O₃比Cr₂O₃保护层具有更高的热力学稳定性；从动力学角度而言，氧化铝的生长速度比氧化铬低1-2个数量级。因此，Al₂O₃更具有保护作用。

目前，部分铁素体不锈钢可形成Al₂O₃抗氧化层，但由于其是体心立方结构抗蠕变性能较差，不适合在600℃以上使用。氧化物弥散强化(ODS)的铁素不锈钢和镍基高温合金，也具有很好的Al₂O₃膜形成能力和优良的高温抗蠕变性能，但成本太高，限制了它们的使用。相比较而言，面心立方结构的奥氏体合金具有较好的抗蠕变性能，同时成本较低。目前在650℃以上，很多是在奥氏体合金的基体上喷涂Al₂O₃或者是AlCrY等抗氧化性的涂层，导致工序复杂，成本反而提高。因此研制可用于650℃以上，自身具备优良抗氧化性能的奥氏体耐热不锈钢是很有必要的。本发明主要是在Fe-Cr-Ni系奥氏体不锈钢的基础上添加一定量的Al，使该奥氏体耐热不锈钢在高温下具有优越的力学性能，同时在高温氧化的过程中能够自发的生成连续致密的Al₂O₃保护层，提高合金的抗氧化能力，尤其适合在650℃以上的高温水蒸汽等复杂环境下服役，拥有十分广阔的应用前景。

发明内容：

本发明的目的是提供一种在高温下，尤其是在650℃以上含水蒸汽等复杂服役条件下能够自发形成一层致密地、连续地Al₂O₃保护层，并且具有良好的高温力学性能的新型奥氏体耐热不锈钢。本发明主要是在Fe-Cr-Ni奥氏体不锈钢的基础上通过添加一定量的Al元素，使奥氏体不锈钢在高温，特别是在650℃以上含水蒸汽等复杂情况下服役时能够形成连续致密的Al₂O₃保护层。对以Al₂O₃为抗氧化层的奥氏体不锈钢开发可追溯到30多年前，但是一直没有成功，主要原因是Al和Cr一样，是一种强有力的铁素体稳定元素，缩小奥氏体相区，扩大铁素体形成能力，并且要求添加更多的Cr来能促进Al₂O₃层的生成。代表性的研究是添加4-6％Al(重量百分含量，wt％，以下同是)和10-25％Cr，尽管在材料表面成功地得到Al₂O₃保护层，但Al和Cr的加入同时也促进铁素体相的形成，大大降低了高温蠕变性能。为了形成单一的奥氏体结构以保证高温力学性能，本发明通过优化成分，控制铬和镍的当量，研制出一种新型耐热不锈钢，该材料不仅具有稳定、单一的奥氏体结构而且高温下，尤其是在650℃以上的高温含水蒸汽等复杂环境下能够在表面自发生成连续致密的Al₂O₃保护层，呈现出优异的抗氧化能力和高温力学性能。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

一种高温氧化自发形成Al₂O₃层的新型奥氏体耐热不锈钢的化学成分如下(重量百分含量)：C为0-1.0％，Cr为10-30％，Ni为8-30％，Al为2.5-4.0％，Nb为0-2％，Mn为1-10％，Si为0-1.2％，Mo为0-4％，Ti为0.1-0.5％，V为0-0.5％，B为0-0.1％，P为0.01-0.04％，S＜0.01％，N＜0.005％，余量为Fe。