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超超临界机组中广泛使用的新型高碳Super304H耐热奥氏体不锈钢具有优异的高温强度和抗蒸汽氧化性能,但其高碳含量也带来了高晶间腐蚀敏感性问题。本文以Super304H奥氏体不锈钢为研究材料,拟利用该耐热钢制备工艺中改善高温抗氧化性能的表面喷丸细晶结构,通过扩散热处理促进或实现其贫铬区的脱敏,改善或解决其高晶间腐蚀敏感性问题。研究目标是解决Super304H奥氏体耐热钢在高温强度与晶间腐蚀性能之间的矛盾,实现Super304H耐热钢在高温强度、抗氧化性能和抗晶间腐蚀性能的三方共赢,这对于Super304H耐热钢的基础研究和实际应用都具有重要价值。本文首先利用表面喷丸处理在Super304H耐热钢表面获得不同晶粒尺寸的大塑性变形层,通过X射线衍射、光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、显微硬度测试等分析方法对其微观组织、结构特征与力学性能进行了全面分析,获得了较佳的Super304H钢管内壁喷丸处理工艺参数。然后,利用双回路电化学动电位再活化(DL-EPR)方法对经喷丸/时效处理后的Super304H试样的晶间腐蚀敏感性进行了定量评定,同时借助SEM和TEM观察和分析了不同晶粒尺寸的喷丸/时效试样中M23C6的析出速度和含量,认识表面喷丸纳米晶化对Super304H耐热钢中M23C6析出的影响规律,并结合微观组织观察建立了纳米晶组织Super304H钢的时间-温度-敏感性(TTS)曲线,明确了喷丸纳米晶化对高碳奥氏体耐热钢敏化和脱敏特性的影响规律和作用机理;最后,在保持纳米晶结构热稳定性的前提下,探讨了通过奥氏体不锈钢中的非传统扩散热处理改善或消除Super304H钢中贫铬区和晶间腐蚀敏感性的快速脱敏工艺。研究结果表明,通过优化表面喷丸工艺参数,可成功在Super304H奥氏体不锈钢表面实现纳米晶化,其细化机制以变形孪晶交割为主(层错能较低)。同时,孪晶交叉处由于积聚了较高的变形存储能,诱发了马氏体相变。随喷丸时间增加,表面细晶层厚度逐渐增加,表层晶粒尺寸逐渐减小,马氏体相逐渐增多,表层硬度因此显著提高,0.5MPa/3~20min喷丸处理后Super304H钢表层硬度值均是未处理试样硬度的2-3倍。经0.5MPa/3~8min喷丸处理后,Super304H钢表面细晶层发育程度趋于饱和,厚度逐渐稳定,表面强化效果较佳,为本文推荐的Super304H钢管内壁喷丸处理工艺参数。喷丸态试样(0.5MPa/3~20min)与固溶试样相比,其变形孪晶界、位错和相界等高能界面为M23C6析出提供了更多优先形核位置,因此经过600-700℃×2h敏化处理,会使M23C6析出更快更多;喷丸时间越长,引入的高能界面越多,M23C6析出越多。通过DL-EPR法测试晶间腐蚀性能发现,600-650℃×2h敏化处理,表面喷丸细晶化会使Super304H钢的敏化度明显增大,随着喷丸时间延长,应变诱发马氏体含量增多,敏化度随着增大,且远远高于固溶试样的敏化度。随着敏化温度提高,700℃×2h敏化处理后形变诱发马氏体完成了逆转变,同时细小的奥氏体晶粒和变形缺陷使喷丸试样晶界上因M23C6析出引起的贫铬区能够得到基体铬元素的快速补充而消除,敏化度降低;而固溶试样晶界上因M23C6析出引起的贫铬区则无法得到基体铬元素的及时补充而继续存在,因此固溶试样的敏化度较高。对采用推荐的喷丸工艺(0.5MPa/3min,0.5MPa/8min)获得的喷丸试样在600-700℃进行时效处理,发现在600℃下时效,由于马氏体诱发的敏化在喷丸试样整体敏化中占据主导地位,马氏体含量越多的喷丸试样耐晶间腐蚀能力越差;同时,喷丸试样中M23C6优先形核位置大幅度增加,而长大则受到可用C含量的限制,因此随着时效时间增加,细小碳化物周围的较窄贫铬区更易获得晶粒内部Cr补充而逐渐消除。因此,与固溶试样相比,喷丸试样(0.5MPa/3min,0.5MPa/8min)在相对较短时间(24h,96h)时效后进入脱敏阶段。随时效温度提高至650~700℃,马氏体逆转变进一步促进了喷丸试样整体去敏化过程,且喷丸时间越长,进入敏化区和脱敏区的速度越快,如650℃下,0.5MPa-8min喷丸Super304H试样的敏化度在1h时达到最大,然后迅速降低,在较短时间(24h)完全脱敏。脱敏后,喷丸态Super304H钢的敏化度显著小于供货态。700℃下,0.5MPa-8min喷丸样品能在极短时效时间(10min)内完成形变诱发马氏体逆转变,敏化度迅速降低,进入去敏化阶段,并在极短时间(2h)完全脱敏。但该温度下喷丸态Super304H钢表面细晶组织失稳速度较快,晶粒快速长大,从而会影响其抗高温蒸汽氧化性能。最后,选取更长时间的喷丸处理工艺(0.5MPa/20min)获得喷丸样品,在可以基本保持表面喷丸纳米晶组织稳定性的650℃进行时效处理,以期进一步缩短Super304H钢的脱敏时间。但研究结果却发现,0.5MPa/20min试样由于含有大量热稳定性较差的应变诱发马氏体,表面组织热稳定性较差,在650℃下容易发生动态再结晶。随着时效时间延长(24~168h),位错在动态再结晶界面上重新排列使应变不断释放,导致σ相在再结晶界面形核所需的形核功远远小于其他静态高能界面,导致σ相在再结晶界面上快速形核和长大,0.5MPa-20min试样的主要析出物由M23C6相过渡为σ相。DL-EPR测试及腐蚀形貌分析结果表明,0.5MPa/20min试样在650℃时效经历了复杂的敏化和去敏化过程,在时效10h内首先经历了由碳化物析出引起的敏化和去敏化过程;当时效时间延长至24h和168h时,由于富铬σ相的析出与长大,试样的敏化度出现再次升高现象,并随时效时间增加持续提高。