目前,传统化石能源已无法满足全球人口增长和工业化快速发展的需求,因此可再生能源的应用受到了各国政府的密切关注。与其他可再生能源发电技术相比,聚光式太阳能热发电技术(Concentrating solar thermal power,CSP)通过结合热能储存系统和常规发电机组,克服了由昼夜交替、气候变化以及太阳辐射的不稳定性等原因导致的太阳能热发电能源供求的不匹配性问题,而且CSP系统正朝着高光热转换效率、低成本及高寿命的目标不断发展。其中高温储热材料是提高CSP系统运行效率的核心环节,Al-12Si合金相变温度合适、导热储热性能优良且来源丰富是最理想的相变储热材料之一。但是在实际运用中,太阳能热发电用换热管一方面在高温恒载的工况下易发生蠕变变形损伤,另一方面受到熔融铝硅合金的腐蚀,加速了换热管道的失效和爆裂。所以提高换热管力学性能和抗腐蚀性能,对控制失效事故的发生,确保太阳能热发电用换热管的长期、安全和高效运行具有重要意义。本文采用321奥氏体不锈钢作为管件基材,并进行粉末包埋渗铝和激光冲击强化(Laser shock processing,LSP)处理,以期综合提高材料的抗高温蠕变变形性能以及抗熔融铝硅合金腐蚀性能,得出以下结论:(1)通过比较321不锈钢、渗铝钢和渗铝钢(退火)表面完整性参数发现:321不锈钢试样表面完整且光滑;渗铝钢试样表面形成了致密渗层,由外到内依次是A12O3薄膜、FeAl外渗层、Fe-Al扩散层以及不锈钢基体层,表面粗糙度、硬度较大;渗铝钢试样经扩散退火处理后,基体晶粒粗化,表面粗糙度及硬度增大。三种试样在高温蠕变过程中均表现出典型的蠕变三阶段,即减速蠕变阶段、稳态蠕变阶段和加速蠕变阶段。试样的蠕变行为主要由位错运动控制,并受到奥氏体晶粒以及第二相沉淀粒子影响。渗铝钢蠕变抗力急剧下降,但经扩散退火处理后,渗铝钢的蠕变抗力水平明显提高,其蠕变断裂寿命跟321不锈钢持平。(2)采用不同激光冲击次数和不同激光功率密度对渗铝钢试样进行LSP处理,比较试样LSP处理前后的表面完整性和高温蠕变性能发现:LSP处理后渗铝钢表面发生了明显的塑性变形,表面粗糙度增大;渗铝钢表面晶粒明显细化,并引入了高密度位错和残余压应力,其表面显微硬度变大,试样强度升高。激光冲击次数越多、激光功率密度越高,试样表面粗糙度和硬度越大,硬化作用深度越深,强化效果越显著。较未冲击渗铝钢试样,激光功率密度为6.59 GW/cm2,激光冲击次数为三次的渗铝钢试样表面形核和内部裂纹扩展现象减少,蠕变空洞尺寸及密度减小,稳态蠕变速率下降了一个数量级,高温蠕变断裂寿命提高了约232%,表面晶粒细化和引入的高幅残余压应力是改善蠕变性能的最主要原因。(3)解释了渗铝钢熔融铝硅合金腐蚀-高温蠕变的化学-力学机理:较321不锈钢试样,渗铝钢试样的腐蚀层更薄且腐蚀脆性相(Fe2Al5和FeA13)含量更少,其抗熔融铝硅合金腐蚀性能更好。渗铝钢试样经激光冲击强化后,表面晶粒细化、渗层/基体结合更紧密,在改善了渗铝钢的抗腐蚀性能的同时,表面位错密度、残余压应力提高,蠕变空洞形核难度加大,提高了材料的抗高温蠕变变形能力。综合来看,渗铝复合三次LSP钢性能最佳,在620℃熔融铝硅腐蚀环境下,其蠕变断裂寿命到达124h,较未处理试样提高了69.8%。