新一代奥氏体耐热钢（AFA）的协同强化设计及其组织-性能调控

As the potential high-temperature structural material of key components in ultra super critical (USC) power plants, new alumina-forming austenitic heat-resistant steel (AFA) has a good application prospect due to its excellent oxidation resistance and high creep resistance. The objective of the project is to develop new generation lumina-forming austenitic heat-resistant steel, the alloying compositions are optimally designed by materials simulation and calculation. niobium and aluminum, as two key elements, are controlled, and copper is considered to improve the precipitation of second phases. The new AFA experimental steels are to be prepared as the research objects. Co-strengthening of defects engineering and nanosecond phases is firstly inducted to artificially induce dislocations as the nucleation site of second phases and improve the nanoprecipitation density. Combining with high-throughput diffusion multiples, the competitive precipitation mechanisms of nanosecond phases are systematically studied. The aim of the project is to clarify the evolution and the active mechanism of nanosecond phases during high-temperature creep, and achieve optimal control of microstructures-properties of new generation AFA steel. The implementation of the project will provide important theoretical support and technical foundation for the optimal application of new AFA steel.

表面形成氧化铝层的新型奥氏体耐热钢（AFA）以其优异的抗氧化性能和高温蠕变性能，可望作为超超临界火电机组关键部件的高温结构材料，具有良好的应用前景。本项目以开发新一代表面氧化铝层奥氏体耐热钢为研究目标，利用材料模拟计算方法设计合金成分，抓住Nb、Al两个关键元素进行成分调整，并考虑添加Cu元素进一步促进新第二相的析出。以制备的新一代AFA耐热钢试验材料为研究对象，提出缺陷工程和纳米第二相协同强化的新思路，人为引入位错缺陷作为纳米第二相的形核位置，提高纳米第二相的析出密度。结合“扩散多元节”高通量实验方法，系统研究各纳米第二相的竞争析出机制，澄清纳米第二相在高温蠕变过程中的演变规律及作用机制，实现新一代AFA耐热钢材料的组织-性能的优化调控。项目的实施可为新一代表面氧化铝层奥氏体耐热钢的开发应用提供理论参考，奠定重要技术基础。

本项目围绕新一代奥氏体耐热钢（AFA钢）的协同强化设计和组织-性能调控开展工作。基于材料相图计算模拟调整Al和Nb元素含量比例，并考虑Cu元素添加的影响，模拟了AFA钢的合金相图，并且发现Nb含量在1.5 -3.0 wt.%，Al在3.0-4.5 wt.%之间，且Al/Nb比例较小时是最优化匹配，而Al/Nb比例变化及Nb含量的增加会导致δ-铁素体的出现。通过“扩散多元节”构建多种扩散界面，发现Cu占据Ni位，促进B2-NiAl向L12-Ni3Al相的转变，而占据Al位的Mn和Fe都可以促进L12-Ni3Al相向B2-NiAl相的转变。组织观察发现随着等温时效时间的增加，首先在晶界上开始有Laves相析出并长大，随后晶内相间析出Laves相和B2-NiAl相，而δ-铁素体区由于B2-NiAl相周围富Cr区的存在导致产生σ-FeCr脆性相。第一性原理计算结合实验观察研究发现Cu元素的添加加速了B2-NiAl相的析出并增强了其稳定性，并且Cu原子进入B2-NiAl相中时会优先占据Fe原子和Ni原子的位置以获得更稳定的结构。项目设计的AFA钢室温抗拉强调高于文献报道的奥氏体耐热钢，延伸率略低，整体室温力学性能较为优异。高温蠕变实验结果表明长时间的时效处理是提升AFA钢高温蠕变性能的有效热处理方式，并且少量冷变形会提高AFA钢的持久蠕变性能。在稳态蠕变阶段，高密度位错与沉淀相的交互作用极大的增加了AFA钢的蠕变抗性，维持了AFA钢稳态蠕变的进行。然而，δ-铁素体中粗化的B2-NiAl相和σ相相界处并不能抵抗高温应力的作用，使δ-铁素体区域易产生蠕变缺陷，成为蠕变抗性薄弱区域。整体来看，本项目所获得的相关成果对于推动新一代含铝奥氏体耐热钢的发展具有重要科学意义，同时在先进耐热钢的相关强化机理理解、组织性能调控等方面提供了关键的技术手段，具有重要的实践应用价值。