激光冲击处理和镀铝对微观结构的影响和高温蠕变特性的321不锈钢太阳能热发电

文摘

321不锈钢的镀铝层被激光冲击处理(LSP)治疗。组成分布和微观结构变化的影响渗铝层的321不锈钢在高温蠕变性能。SEM和EDS的结果表明,铝涂层主要由一个半岛₂O₃外层,Fe-Al阶段的过渡层和扩散层。此外,太阳能发电进行涂层表面不仅提高了层的密度结构,导致一个增量浸润层和衬底的粘接强度,但也使得高渗铝层中的残余压应力,有效地改善了其蠕变寿命。laser-shocked地区的实验结果表明,显微硬度提高精制谷物和强烈的微观结构的重建。与此同时,粗糙度和渗铝钢的显微硬度与激光冲击次数增加。另一方面,金属间化合物层的微观结构是稳定足以抑制裂纹萌生,大大加强强度。渗铝样品的anticreep生活与三次LSP渗铝钢相比增加了232.1%,这可能属性中的位错密度增加锤头样品以及蠕变空洞的大小和密度的降低。

1。介绍

以满足全球日益增长的能源需求在一个环境可持续的方式,更加强调正在给可再生能源技术的发展和传播。太阳能是一种重要的可再生能源将发挥重要作用在未来能源供应。聚光太阳能发电(CSP)技术是一个重要的选择购买太阳能产品,吸引了越来越多的关注在过去几十年(1,2]。国际认为,年平均每增加1%的太阳能热发电系统的发电效率,平均发电成本将减少5%至8%。因此,它是至关重要的,提高发电效率、降低成本,提高太阳能热发电系统的使用寿命。然而,随着CSP的关键组件,换热管应更加关注(3- - - - - -6]。

奥氏体不锈钢(屁股)通常具有良好的延性和优良的耐腐蚀性能7- - - - - -9]。AISI321,奥氏体不锈钢与钛稳定,是一种很有前途的材料为承载应用程序在太阳能热发电、核反应堆、锅炉、压力容器、膨胀波纹管,堆栈衬垫(10,11]。换热管道由AISI321容易在长期高温条件下蠕变损伤,加上腐蚀性媒体的联合效应和管道内的压力,进一步加快管道失败和破裂。

渗铝法可以显著提高不锈钢的抗高温氧化、摩擦和腐蚀介质的气氛,硫化氢,海水,和液体金属(12,13]。不同的技术如化学气相沉积(CVD),热浸镀铝(14),包铝化(15,16从离子液体),电解沉积铝17应用,Ar-plasma沉积表面沉积铝钢。其中,粉末包镀铝技术由于自身的优点广泛应用产生一层均匀致密的不同形状和大小的标本。Ref。18- - - - - -21]分析了渗铝层的相组成,发现321不锈钢厚层表现出更好的抗氧化和腐蚀。另一方面,形成的涂层与应用程序的正常方法相对多孔众多的缺陷和杂质。特别是,₂O₃电影或Fe-Al阶段可能裂纹,促进微裂纹传播在较高的温度和压力,造成的渗铝钢表现出减少在高温蠕变的生活。此外,渗铝钢的蠕变行为表现出较高的蠕变率和较短的蠕变断裂寿命比裸的标本(22,23]。Ref。24)还指出,脆性涂层轴承性能较差不利于渗铝钢的蠕变特性。

激光冲击锤击(LSP)是一种先进的金属材料表面强化方法提高抗蠕变、疲劳、腐蚀,可以延迟裂纹的成核和扩展25,26]。在太阳能发电过程中,高烈度冲击波通过迅速扩张产生的高温等离子体诱导的高功率密度激光脉冲和材料表面之间的接触。冲击波传播的材料时,塑性变形发生的深度压力不再超过材料的弹性极限,导致整个残余应力影响深度(27,28]。Yella等人报道,用吸收剂磁带作为牺牲层是一个好方法对不锈钢和不执行LSP造成表面损伤(29日]。巴斯克斯吉梅内斯等人指出,最好的为高疲劳寿命疲劳扩展LSP路径垂直于轧制方向(30.]。陆等人发现治疗样本显示更好的拉伸性能强等流动应力和更高的极限抗拉强度随着时间越来越LSP的影响(31日]。同时提高蠕变强度和防腐性能,LSP的镀铝技术已经部分调查。赖证明材料的疲劳寿命与镀铝和LSP明显提高32]。Ref。33- - - - - -36)也证实,渗铝钢的力学性能大大提高了LSP。

鉴于上述考虑,很多研究主要集中在防腐能力,LSP参数和疲劳行为的影响。然而,研究不锈钢的高温蠕变特性与镀铝和LSP很少报道。因此,为了确保不锈钢热交换器的稳定运行在实际工作条件下,表面改性过程的影响,与太阳能发电,镀铝321不锈钢的显微组织和高温蠕变性能研究。

2。材料和方法

2.1。321不锈钢

的奥氏体钢AISI 321年采购的商业调查。元素成分分析的结果提出了表1。

2.2。粉包铝化

包粉混合物由68 wt % Fe-Al粉、30 wt %₂O₃填料和2 wt % NH₄Cl活化剂。样本地# 2000 grit-sized碳化硅纸之前完成并彻底清洗放置包内,然后,样本保持包内氧化铝坩埚,随后带盖子的覆盖。包铝化实验ksl - 1400 x进行箱式烧结炉,和样品冷却到室温后加热在950°C 12 h。涂层的横断面图像层如图1。EDS、SEM结果表明,铝涂层主要由一个半岛₂O₃外层,Fe-Al阶段的过渡层(如铁₃艾尔•菲尔•菲尔,₂和少量的AlN),和扩散层与AlFe (Ni)阶段和AlCrFe阶段。在镀铝过程中,形成的表面层次的一个新的组成和结构。形成这样一个当地的形式过渡区个别地区或镀铝金属间化合物化合物直接导致这一事实高压微裂隙出现在这个地区和重要的局部过分强调导致损失强度固体涂层系统的热变形行为。

2.3。LSP治疗

的太阳能发电进行LAMBER-08脉冲激光操作在1064 nm波长和交付7 J 20纳秒脉冲能量,2赫兹重复率。激光点的直径是3毫米,重叠率是50%,激光功率密度约为4.95瓦/厘米²。为了防止金属材料的表面直接与激光能量激光燃烧和一些更好,黑胶带是选为保护层的影响。约束层是水,来约束产生的高温等离子体激光辐照和提高冲击波压力(37]。

2.4。表面粗糙度和显微硬度

JB-4C精密粗糙度测试仪采样长度0.8毫米和2 mm / s传感器移动速度是用来测量表面粗糙度。三维表面的样本观察到vhx - 1000超三维微观系统。的显微硬度测试410 mva维氏显微硬度测试仪使用负载300 g和保持时间15秒。

2.5。高温蠕变实验

样品采用不同的过程,如镀铝,镀铝与单一太阳能发电的影响,与镀铝LSP影响了三遍,受到高温拉伸蠕变测试WDML缓慢拉力试验机在620°C的温度和压力范围180 - 240 MPa。蠕变拉伸试样标距长度24毫米和4毫米的厚度。

2.6。XRD和显微结构

表面的渗铝钢在不同时间阶段的LSP影响由TD3000 x射线衍射仪(XRD)进行了分析。广达2000环境扫描电子显微镜(SEM)和附加的能量色散谱仪(EDS)是用来检查蠕变断裂。

3所示。结果与讨论

3.1。表面粗糙度和显微硬度

表面粗糙度影响蠕变性能起着主导作用,反映了材料表面的特征集合。表面粗糙度是评价三个指数,包括轮廓算术平均偏差( ),轮廓最大高度( ),和轮廓单元平均宽度( ),在哪里可以同时反映了微观几何特性和凸峰的高度(38]。如果这些粗糙峰同样近似微间隙,粗糙的应力集中峰值可以使用缺口应力计算公式(39]: 在哪里材料常数和吗的比例是来 。更大的价值是,越大应力集中。表2介绍了表面粗糙度的标本不同时期的LSP的影响。可以看到,渗铝样品的粗糙度是0.952μm,粗糙度增加迅速增加影响的时间。更多的应力集中,容易产生微裂隙,导致材料的内部损伤。然而,粗糙度有关激光吸收,即过于光滑金属表面不利于激光的吸收(40]。

光学照片和三维表面轮廓图所示为不同的条件2。从数据可以看出2(一个)和2 (d)渗铝样品的表面是光滑平面与普通酒窝,和平均坑深度是7.174μm。镀铝的形态与单一太阳能发电的影响(数据样本2 (b)和2 (e))显示的存在明显的坑和步骤,其形状是方形或圆形。坑的形状取决于保护层之间的接触压力和样例41]。平均坑深度是10.813μm增长50.7%,变形量是3.639μm。三个影响后样品的形貌如图2 (c)和2 (f)。加重塑性变形塑性加载波。坑的深度是20.718μm 188.8%的增加,变形量是13.544μm。随着太阳能发电时间的增加,粗糙度和塑性变形的程度减轻,主要属性的生成表面凹点。图2 (g)脉冲序列应用于治疗标本。它由发射脉冲的zigzag-type扫描模式,覆盖面积 在中央区域的标本。激光冲击区直径1毫米和21.5的深度μm可以观察到在镀铝样品后三个太阳能发电的影响,而塑性变形的一个重要指标评估LSP的增强效果。

图3介绍了渗铝样品的显微硬度之前和之后的LSP。渗铝样品的显微硬度逐渐增加而增加的距离穿透层表面,可估算在穿透层主要形成金属间化合物的化合物。此外,晶粒生长和材料在高温镀铝过程中发生软化现象。因此,发现硬度较低的层的深度测量时至180年μm。然而,受径向LSP公布的冲击波,渗铝钢的表面会产生严重的塑性变形,显著促进材料的表面硬度。众所周知,塑性变形将导致加工硬化效应和晶粒细化,从而提高工件的硬度。类似的结论已经从裁判。42,43]。影响数量的增加,表面显微硬度增加从395高压的非击打式的样本625高压和718.4高压。图4是镀铝样品的x射线衍射模式之前和之后的LSP。主要有三个阶段,费尔,费尔₂,菲₃艾尔,LSP。后观察到所有的新阶段晶体表面的位置几乎没有改变,尽管衍射峰的强度明显降低,和宽屏一半最大值(应用)变得更大。它说明了表面谷物提炼太阳能发电后,和三次影响样品的晶粒细化现象比同一次撞击样品更明显,这与前面的结论是一致的硬度增强机制。

3.2。蠕变曲线

图5显示了高温蠕变曲线和渗铝钢的蠕变速率曲线具有不同的LSP一系列载荷作用下应力的影响。可以看出所有的标本有相似的曲线形状描述典型的蠕变行为的三个阶段,即减速蠕变阶段,稳态蠕变阶段和加速蠕变阶段。的第一阶段蠕变短,而第二阶段蠕变的更长。如数据所示5(一个)和5 (d)、镀铝样品在10 h进入稳态蠕变阶段。随着加载应力的增加,样品进入稳态阶段的时间缩短,蠕变率和蠕变应变增加。当外加应力达到210 MPa,渗铝样品的稳态蠕变速率上升 来 从206 h和蠕变断裂时间降低到28 h,表明材料的蠕变阻力非常受压力的影响。的蠕变曲线与单渗铝样本(数据5 (b)和5 (e)(数据)和三次5 (c)和5 (f))太阳能发电是相似的,这意味着材料的三种状态是非常受外部负载的影响。图6代表外加应力之间的关系和奥氏体不锈钢的蠕变断裂时间处理不同的表面改性过程和结果表明,蠕变断裂时间呈负相关的压力蠕变实验温度。与此同时,我们发现,稳态蠕变速率降低,蠕变断裂时间延伸倍增加的影响。稳态蠕变速率的标本与单一和三次降低一个数量级和蠕变断裂生活增加了42.8%和232.1%,分别,当外加应力210 MPa,这清楚地表明,镀铝样品的高温蠕变强度显著提高了太阳能发电技术。

在静止阶段,有效的位错密度保持不变之间保持一个平衡的材料恢复和硬化由于持续的外部压力和高温环境。因此,稳态蠕变速率最小值和最简单的变形机制是关键参数来反映材料的蠕变行为。图7显示器应用压力是积极相关的最小蠕变速率稳态蠕变。最小蠕变速率和应用相关的压力是众所周知的幂律了 在哪里是静止的蠕变应变率,是一个复杂的结构常数相关的材料,外加应力,蠕变应力指数,蠕变表观活化能,摩尔气体常数( ),和是绝对温度。方程(2)两边进行对数处理得到方程(3)。当蠕变温度是常数,lnε和lnσ斜率的线性关系吗(方程(4)如下:

图8展品稳态蠕变速率的对数关系和应用压力。它可以得出结论镀铝,镀铝复合单值和三次LSP的样品是13.73,19.71和23.13,分别。321奥氏体不锈钢基体合金,3和5的压力指数的值代表两个重要的蠕变类型的固溶体。当 ,压力指数典型值为3,这意味着蠕变行为非常不同于纯金属,叫做合金型蠕变的第一课;当 ,其典型值是5,这表明纯金属的蠕变行为相似,被称为第二个纯金属蠕变;当 ,稳态蠕变行为不再被幂律方程(44]。Ref。45)指出,如果一个金属明显更大压力指数,金属蠕变应力阈值较高,可以断言,镀铝复合太阳能发电材料蠕变应力阈值更高和更好的抗蠕变性。

3.3。断口形貌

蠕变宏观断口出现颈缩现象,而crack-like塑性变形发生在典型的韧性断裂附近。清晰的截面颗粒的断裂存在强烈的三维作证,它属于晶间断裂。影响标本的收缩面积高于非击打式的标本,暗示影响标本有更好的可塑性。从图可以看出1涂料层上的一些缺陷,如粗第二相粒子(AlN)和毛孔。在高温蠕变过程中,丰富的晶内十字滑滑翔到孔的位置或晶界晶格缺陷引起的残余拉应力,导致大量的微孔隙。这些微孔隙继续收敛到裂缝导致扩张和拉伸应力下的晶界分离。根据断裂表面的SEM形貌和EDS分析人物9它可以区分,渗铝钢的断裂表面大致可以分为三层:最外层(•菲尔),过渡层(主要由费尔₂和菲₃Al)和奥氏体不锈钢基体层。第二阶段产生的渗铝法有一个大的分离倾向的矩阵,这是很容易受高温环境和拉应力的影响。然后,倾向导致了最终代大孔隙和裂缝。一方面,镀铝层的谷物被LSP精制处理(图9 (b))。粗糙的第二阶段是均匀分布在基质和毛孔的大小缩小,所以很难产生微裂隙。此外,激光触觉残余压应力防止进一步的蠕变和晶体之间的分离。另一方面,在高功率激光的影响下,剧烈塑性变形(图9 (c))加速代水晶子结构,谷物的方向变化,增加了位错密度。高密度位错发生障碍和任意的一滑四面八方在高温下湮灭混乱,特别是滑动方向。这种交互消耗大部分时间和热扩展anticreep生命样本(46]。同时,高密度位错产生显著差异在晶界取向,导致更高的内部压力阻碍混乱,抑制晶界滑移,推迟谷物的生长,有效延缓裂纹萌生[47]。时代进步影响呈现出更明显的晶粒细化和塑性变形;因此,蠕变寿命laser-shocked样本与多个影响是极其完善。

蠕变损伤的机理是表皮脱落,形成和发展空间其次是失败的发生,哪些属性之间的塑性变形不相容晶内的夹杂物或第二阶段和从根本上矩阵。孔隙是圆形或多边形,分散在三个颗粒边界的交点或晶界主要在奥氏体不锈钢空洞优先倾斜晶界上成核(48]。通过连接到另一个,一些洞穴最终变成一个链,表明孔隙形成独立与经济增长相互交叉。特别是,作为成核中心,夹杂物颗粒中包含一些空洞。从数据可以看出10 ()和10 (b)酒窝,晶间裂纹传播地区可见。除此之外,有一些裂缝边缘的酒窝积累,次生裂缝,平行条纹结构。沿着晶界开始后,裂缝延伸迅速收敛到更大的裂缝在蠕变过程中,导致颗粒之间的分离。尽管蠕变断裂主要发生在晶界,蠕变断裂是影响状态,结构,和晶界沉淀严重。中描述的数据10 (c)和10 (e),酒窝以及空洞退化在太阳能发电的规模和密度随着时间的影响。同时,粗糙的第二相粒子和夹杂物都不观察到放大(数字10 (d)和10 (f))。现象,渗铝钢的断裂韧性随LSP的影响可以归因于粗糙的第二相粒子(或夹杂物)塑性较低,不能codeform矩阵的同时,导致应力在粒子浓度导致破损。然而,第二相粒子的粒度(或夹杂物)LSP的渗铝样品中影响显著细化,并减少应力集中的程度提高蠕变阻力。此外,奥氏体不锈钢在高温镀铝过程中受到软化,导致晶粒粗化和可塑性恶化。但晶粒细化增加可塑性太阳能发电后,材料的塑性蠕变行为密切相关。因此,激光对晶粒细化的影响渗铝钢的蠕变的微观原因改善性能。

4所示。结论

在这项研究中,激光冲击处理和镀铝微观结构的影响,研究了321不锈钢的高温蠕变性能。主要结论如下:(1)严格界致密工艺及涂层表面获得了321奥氏体不锈钢powder-embedded镀铝。粗糙度、表面塑性变形和表面显微硬度的LSP治疗后显著增加,渗铝标本和LSP镀铝标本的加强效果最明显的三倍(2)标本不同冲击次数与太阳能发电也有类似的曲线形状描述典型的蠕变行为的三个阶段。稳态蠕变速率降低,蠕变断裂时间延长和冲击次数的增加,这清楚地表明,镀铝样品的高温蠕变强度显著提高了太阳能发电技术。的镀铝,镀铝复合单值和LSP三次样品是13.73,19.71和23.13(3)酒窝大小、孔隙大小和密度影响样品成为小于非击打式的样本。随着太阳能发电的数量增加,位错密度和材料的塑性增加,因为更明显的晶粒细化和塑性变形的表面上,而全面提高了渗铝钢的蠕变性能

数据可用性

所有数据用于支持本研究的结果包括在本文中。

信息披露

本文的早期版本部分的一个邀请报告25^th国会国际联合会的热处理和表面工程(http://www.25ifhtse.csp.escience.cn/dct/page/70051)。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者收到财政支持中国的国家自然科学基金(51675058号和51801062号),教育部重点科研项目的湖南(16 a002)号,湖南省科技创新项目(2018号rs3073)和湖南省自然科学基金(2018号jj3531)和双一流的科学研究国际合作项目的长沙科技大学(2019号ic15)。

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