【摘 要】
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太原钢铁（集团）有限公司开发出一种新型奥氏体耐热钢C-HRA-5,将成为650℃～700℃的USC锅炉过热器和再热器的重要备选材料。C-HRA-5钢使役温度在600～800℃之间,与不锈钢敏化温度450～800℃的区间重合,在特定环境下会面临晶间腐蚀（Intergranular Corrosion,IGC）的风险。研究表明在Super304H耐热钢通过表面纳米化来促进Cr原子的扩散,是改善其高温抗
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太原钢铁（集团）有限公司开发出一种新型奥氏体耐热钢C-HRA-5,将成为650℃～700℃的USC锅炉过热器和再热器的重要备选材料。C-HRA-5钢使役温度在600～800℃之间,与不锈钢敏化温度450～800℃的区间重合,在特定环境下会面临晶间腐蚀（Intergranular Corrosion,IGC）的风险。研究表明在Super304H耐热钢通过表面纳米化来促进Cr原子的扩散,是改善其高温抗氧化性能采用的策略之一。与Super304H钢一样,在C-HRA-5表面也可采用表面纳米化来改善高温抗氧化性能,但是在利用晶粒细化提高抗氧化性能的同时,也会影响到晶间腐蚀性能。表面纳米化处理对C-HRA-5耐热钢的晶间腐蚀性能是否有积极影响?这些影响是否由晶粒细化、残余应力引起?还是可以利用细化晶粒,在提高高温抗氧化性能的同时改善耐腐蚀性能,这不得而知。因此,对C-HRA-5钢抗晶间腐蚀性能的研究,是确保机组安全稳定运行的关键。本文首先利用Ⅱ型表面纳米化机（SNC-2）经过不同时间的处理,在C-HRA-5钢表面获得不同晶粒尺寸以及厚度的梯度结构表面;对纳米梯度层进行600℃×2h、650℃×2h、700℃×2h的敏化处理,利用双回路电化学动电位再活化法（Double-loop Electrochemical Potentiokinetic Reactivation,DL-EPR）对原始固溶处理试样及不同温度敏化处理试样的晶间腐蚀敏感性进行了定量评定,借助光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪、透射电子显微镜对表面纳米化对C-HRA-5耐热钢微观组织形貌进行表征,探索最佳参数;显微硬度和电化学实验对其力学性能及晶间腐蚀性能进行表征,明确细晶化/纳米晶化对C-HRA-5耐热钢晶间腐蚀性能影响的基本规律和机理。研究结果表明,通过在C-HRA-5钢表面进行表面纳米化（SMAT）处理,成功获得不同厚度和晶粒度的纳米梯度层。在纳米梯度层中,距离处理表面越近,不锈钢弹丸轰击,引起的应变率和应变越大,同时晶粒内积聚大量位错,通过位错滑移,形成位错墙和位错缠结,产生了亚晶界,进一步形成晶界,分割晶粒,使晶粒细化,最终形成一定厚度的梯度结构表面。随着表面纳米化时间的增加,C-HRA-5钢表面细晶层的厚度逐渐增加,表层晶粒的尺寸逐渐减小,由于晶粒细化和加工硬化效应,导致表层硬度大幅提高,SMAT处理45min时,C-HRA-5钢表层硬度值是未处理试样硬度值的2.5倍左右。经过600℃×2h、650℃×2h、700℃×2h的敏化处理,C-HRA-5奥氏体不锈钢表层的晶粒平均尺寸依然保持在纳米级,随着处理时间的增加,晶内析出相减少,奥氏体的晶界模糊,杂乱,晶内布满了位错线,梯度结构表面具有较好的热稳定性。在DL-EPR测试中,固溶试样因晶界析出富Cr碳化物而形成贫Cr区,发生晶间腐蚀,敏化度随温度的升高而逐渐升高,在相对低的温度（600℃、650℃）下,SMAT 15～35min,随着表面纳米化处理时间的提高,晶界面积的占比提高,析出大量富Cr碳化物,敏化度逐渐提高。在700℃时,SMAT 15min的试样因应变引起的缺陷密度低,所以贫Cr区难以消除,敏化度继续升高;而SMAT 25min、SMAT 35min的缺陷密度高,Cr原子扩散速率提高而消除贫Cr区,敏化度降低。SMAT 45min时,在表层引入大量的高密度位错缺陷,可以提高Cr原子在奥氏体基体中的扩散速率,奥氏体晶界间的贫Cr区能得到基体Cr元素的快速补充而消除,又因为此时,纳米梯度层中含有大量的晶界,稀释了富Cr碳化物的形核密度,使其弥散化,不能形成贫Cr区,敏化度降低。在敏化温度600℃～700℃,敏化度都低于固溶试样。最后得出C-HRA-5奥氏体不锈钢经过表面纳米化处理45min,再经过700℃×2h的敏化处理,可以降低其晶间腐蚀敏感性。
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