随着火力发电机组的迅速发展,机组运行的蒸汽压力和温度参数不断提高,对机组用耐热钢的性能要求也越来越高。Super304H奥氏体耐热钢是在18/8Cr-Ni不锈钢基础上添加约3 wt%的Cu以及少量的Nb而开发的一种新型奥氏体钢。由于Super304H奥氏体钢具有良好的高温强度和抗氧化性能,因此当前被广泛应用于国内外超超临界(UltraSupercritical-USC)机组中的过热器和再热器管。Super304H奥氏体钢良好的高温强度主要来源于其在高温服役过程中析出的纳米级富Cu相和MX相(Nb(C,N))的沉淀强化作用。此外,M23C6和Z相(NbCrN)在Super304H奥氏体钢高温服役过程也起到了辅助的强化作用。然而,到目前为止对于这些析出相在Super304H奥氏体钢中的析出行为和强化机理还不甚清楚。对Super304H奥氏体钢析出行为和强化机理的研究将会进一步完善人们对于Super304H钢中析出相的认识,从而为该钢种的高温服役性能评估提供实验依据。本文以Super304H奥氏体钢为研究对象,利用扫描和透射电子显微镜对其显微结构进行深入观察和分析,研究了Super304H奥氏体钢的时效析出行为,并把时效析出行为和宏观力学性能结合起来分析,探讨了Super304H奥氏体钢的沉淀强化机理。本文的主要研究结论如下:1.固溶态Super304H奥氏体钢原始组织的奥氏体基体中存在有少量大块状的富Nb MX相和圆形夹杂物。经650°C长时时效5000 h后的研究结果表明:Super304H奥氏体钢在时效过程析出的析出相包括富Nb MX相、M23C6碳化物以及富Cu相。其中,纳米尺寸的富Nb MX相与基体存在立方取向关系和非共格界面关系;M23C6可以在奥氏体晶粒内以富Nb MX相为核心析出形成双层结构,偶尔在基体内单独析出,M23C6与奥氏体基体存在立方取向关系;在奥氏体晶界析出不连续的链状M23C6也与基体存在立方取向关系;奥氏体晶粒内析出大量纳米尺寸的富Cu相与基体存在立方取向关系和共格界面关系。2.富cu相的粗化行为研究结果表明:super304h奥氏体钢在650~750°c温度范围内时效后析出的富cu相在长大过程中始终与奥氏体基体保持立方取向关系和共格界面关系,富cu相颗粒的粗化行为遵循lifshitz-slyozov-wagner(lsw)理论;富cu相的长大激活能约为212±3kj/mol,其粗化长大主要由cu原子在奥氏体基体中的体扩散所控制。3.super304h奥氏体钢在室温~650°c温度范围内的拉伸屈服行为研究结果表明:富cu相的沉淀强化作用对super304h奥氏体钢屈服强度增量的贡献约为17~23%;时效态super304h奥氏体钢比固溶态具有更高的激活体积和激活能表明在拉伸变形过程中存在有位错和富cu相之间的交互作用。super304h奥氏体钢室温拉伸变形过程中富cu相的沉淀强化主要来源于共格应变强化以及部分来源于层错强化,理论计算获得的由于富cu相强化而引起的剪切应力增量与实验结果是一致的。super304h奥氏体钢在650~750°c温度范围内的时效硬化行为研究结果表明:在不同的时效温度下,析出相的沉淀强化作用对super304h奥氏体钢峰值硬度的贡献约为17~25%,富cu相的沉淀强化同样主要来源于共格应变强化和部分来源于层错强化。4.super304h奥氏体钢在650~700°c及190~210mpa应力水平条件下的蠕变行为研究结果表明:super304h奥氏体钢蠕变变形的平均表观应力指数和激活能分别为21.5和687.3kj/mol;高的平均表观应力指数和激活能表明在蠕变变形过程中存在有一个位错与富cu相的交互作用所引起的门槛应力。在此温度范围内,super304h奥氏体钢的蠕变变形机制为基体晶格扩散所控制的位错攀移过程,蠕变过程中的门槛应力主要来源于富cu相与奥氏体基体之间正的晶格常数错配引起的共格应变场,理论计算获得的由于富cu相强化而引起的门槛应力值与实验结果基本一致。super304h奥氏体钢在650°c及250mpa应力水平条件下蠕变447h后mx相的析出行为研究结果表明:在奥氏体晶粒内可以析出纳米尺寸立方形状的富nbmx相,富nbmx相与奥氏体基体的界面是非共格的;此外,纳米尺寸的富nbmx相更容易在富cu相与奥氏体基体的界面处以及沿着奥氏体基体的位错线析出。