耐高温的铸造用奥氏体不锈钢研制成功

HEATS

  国家实验室（ORNL）和Caterpillar技术中心的研究人员共同开发了一种新的铸造奥氏体不锈钢CF－8C Plus，和原标准相比，无论在高温还是在低温下都有着较高的强度和较好的韧性，而不需要增加成本。该钢及其工艺（设计的显微组织）均被认为是独一无二的。
    CF－8C Plus的开发是受未来新式的柴油发动机排气部件预期的要求而迫使的。这些部件要求在温度高达800～850℃时能可靠地工作。CF－8C Plus是作为Caterpillar和ORNL之间最初的DRADA项目的一部分（1999～2002）而设计和创造的，此后，在接下来的第二个DRADA项目（2002年至今）期间按比例增大商业化生产之后进行了比较全面的试验。CF－8C Plus的开发和使其商业化的工作，在2003年7月赢得了2003年R＆D100佳奖。
    合金开发大约在一年内完成，由于进行该项研究的工程师们能够利用多年来收集到的有关钢种的显微组织和性能的数据，使现有成绩的取得成为了可能。第一次实验室加热的第一个CF－8C Plus试样在850℃下进行了蠕变试验，持续了两年后断裂，而标准商业CF－8C Plus商业铸造性能和实验室加热的性能类似，甚至更好。
    CF－8C Plus的设计：传统的合金通常要在强度和延展性之间进行权衡，换句话说，钢的强度越高，它的延展性就越差，强度较高的钢常常容易产生裂纹。然而，新钢种通过认真调整和修改CF－8C这种常用的铸造不锈钢复杂的合金成分，不需要进行这种权衡考虑。
    具体讲，高温强度的提高是由于：
    ·仔细地选择对CF－8C中新合金的加入量。
    ·调整其他合金成分以帮助和增强这些新的添加元素。对这些元素的量采用了特别的设计，为使高温下（不是铸造就是使用过程中）沿着晶界和晶粒本身的沉淀相（即NbC，δ铁素体，σ相）得到微量和毫微量级的利用。
    ·碳化铌（NbC）的毫微量级微粒强化钢的高温强度。这种合金的设计是为了使NbC的纳米级微业材料，只有在使用过程中被暴露于650～850℃的高温下才形成，在铸造过程中不形成。这种特性使较易于铸造成型，然后得到在高温使用期间要求的较高强度。这种沉淀硬化并不是新的和独特的方法，这些利用或注意工艺设计效果的努力并不是典型的标准作法。因为这些新的铸造钢不需要焊后热处理或加工，所以这是另一种节约成本效益。
    800～850℃工作温度：传统的CF－8C铸造钢由于强度不够和有害的时效作用，一般在温度大大低于650℃以下工作是可靠的。相反，CF－8C Plus具有强度高、可延展、抗疲劳、抗蠕变，特别是在温度高达850℃左右时抗热疲劳。
    CF－8C Plus显示的抗氧化性也比预期的要好。很少有几种不锈钢在850℃，甚至更高的温度下可以工作，即使有也比较昂贵，它们比CF－8C更难以铸造，CF－8在疲劳或热疲劳过程中也常常更容易断裂，在700～850℃受到有害的时效作用。
    由于这些特性，CF－8C Plus非常适合未来的排气部件，例如歧管和现代的重型柴油发动机涡轮增压器外壳。CF－8C Plus预期也可以直接用于其他工业用途，包括海船的柴油机、各种燃气轮机、汽车汽油发动机、天然气往复发动机中的部件和其他的高温用途。
    科学的合金开发：CF－8C Plus在应用科学中立即得到成功，从而产生了改进的商业材料生产技术，而且应当远远超出最初计划的商业应用范围。它以控制基本机理为基础，在科学的合金开发方面也获得了成功。CF－8C Plus钢和DRADA项目是为新式的柴油机和燃气轮机用途而开发的，赢得了2003年R＆D100佳奖，该项目受到美国能源部（DOE）能源电力可靠分配计划和FreedomCAR and Vehicle技术的资助。
    然而，设计的显微组织方法，在有关毫微级组织和奥氏体不锈钢中沉淀物的成分非常详细的、惊人的信息量方面有它的根源，奥氏体不锈钢追溯到由美国能源部聚变反应堆材料设计开发的“节约型”奥氏体不锈钢，这个设计使用了几乎20年的数据，设计的显微组织方法被明确地被定义，用在开发特殊的节约型奥氏体不锈钢，这种钢接下来在聚变能AR＆TD能源部材料设计中，发现温度高达750℃时有显著的抗蠕变能力。这个计划使用了另外5年的数据，于1990年赢得一项R＆D100佳奖。
    描述非常高能量反应堆辐照过程中显微组织和沉淀物性能的数据极其复杂，这些数据提供如何控制基体和沿晶界的毫微量级沉淀物的科学概念的基础。这些信息导致能提供一种能聚变反应堆第一层壁需要的抗空位膨胀和氦脆化性能的合金。
    然而聚变材料计划设计的这些特殊的钢，也可和于制造新型矿物能源计划的一个重要目标，用来提高它们的长期抗蠕变能力。
    矿物能源计划工作的一个有意义的结果是特殊合金化“规律”的理解，这些规律在高温蠕变过程中影响和控制沉淀行为。这些合金化规律包括：
    ·反应物作用：例如铌和碳反应形成碳化铌（NbC）。
    ·催化剂作用：硅显著地提高Fe2Mo拉弗斯相形成，钛提高FeCr σ相的形成。
    ·抑制剂作用：碳、硼及其他杂质阻止和抑制像拉弗斯相和σ相这样的金属间相。
    ·冲突作用：碳和氮都竞先和钛形成碳化钛（TiC）与氮化钛（TiN）。
    这些所应用的科学分析还展现出影响长期抗蠕变能力的机理，阻止蠕变包括：
    ·产生像TiC或NbC这样的毫微量级碳化物，提高高温蠕变强度。
    ·调整基体成分，以保证可提高长期蠕变强度的微小碳化物保持稳定。
    ·抑制或消除引起破裂的机械作用。
    例如，作为这些合金设计作用的结果，新的CF－8C　Plus钢形成NbC的毫微量级弥散物，它们阻碍融化或粗化、抗蠕变孔隙形成以及阻碍在晶界处形成脆性σ相。
    这种设计的显微组织，使一些在高温下不能工作或不能很好工作的材料得到改善。这种科学的合金设计方法，应该也能用于其他复杂的高温合金系统，应该补充到下在被发展的更高级的计算科学方法中。