摘要
内燃机广泛应用于现代社会交通运输等各个领域，包括各类陆地机械车辆和船舰主机以及某些民用航空领域。内燃机工作效率的提升一般通过提高燃烧室工作温度，从而提高燃油利用率来实现，工作温度的提高对内燃机材料的高温性能提出了更为严苛的要求。奥氏体气阀合金在高温下具有优异的力学性能和组织稳定性以及良好的经济效益，在气阀钢领域有着较为广泛的应用。本文研究了一种低镍奥氏体气阀合金21-4NWNb的固溶和时效热处理制度、750℃长期热暴露组织稳定性及高温抗氧化性能等，研究显微组织特征与宏观力学性能间的内在联系。 21-4NWNb合金锻态组织晶粒细小，存在大量未溶的M23C6型碳化物以及Nb（C、N）相，在五种固溶温度1000℃、1050℃、1100℃、1150℃、1200℃分别保温30min，当固溶温度达到1150℃时，合金的晶粒明显发生粗化，晶粒度级别达到9级，晶内未溶相颗粒减少，合金硬度大幅下降，说明1150℃~1200℃保温30min固溶效果较好。对1150℃固溶处理的合金进行时效试验，试验后晶粒大小未发生明显变化，合金在750℃×4h试验后硬度最高，达到323HV。通过透射电镜分析合金在时效过程中的强化析出相为WN相。WN析出相与Fe基体保持着(110)WN//(220)γ的位向关系。 21-4NWNb合金实际应用中要求晶粒度级别为8级或更细，级差在3以内，合金在1050℃固溶后的合金晶粒度达到12级，为了研究合金在实际应用过程中组织性能变化，对1050℃×30min,750×4h热处理后的合金进行750℃长期保温试验。保温过程中合金晶粒大小未发生明显变化，保温500h时，晶内M23C6碳化物附近生成了针状的σ相，随着保温时间的增加，σ相的数量逐渐增多，合金内部的WN析出相颗粒数量也逐渐增多，尺寸也逐渐变大。对保温500h和2000h的试样进行透射分析，发现基体中存在大量均匀的WN析出相颗粒。WN析出相与Fe基体保持着(110)WN//(220)γ的位向关系。在保温0~200h时，合金的硬度与强度出现上升趋势，硬度在保温200h达到峰值324HV，强度在保温200h达到峰值971MPa，保温200h后，硬度与强度开始同时出现了略微的下降趋势，硬度最低为305HV，强度最低为896MPa。合金的延伸率最高达到22.2%，总体呈下降趋势，最低为15.6%。 214-NWNb合金在750℃高温氧化试验时，其重量随着氧化时间的延长而逐渐增加。在氧化初期0h~200h时，合金的氧化增重增长迅速，氧化速率较块，在氧化时间延长至500~1000h时，合金的氧化增重对比于氧化前期减少，氧化速率也相对减缓，氧化试验进行至氧化后期1500h~2000h时，合金的氧化增重极为缓慢，氧化速率大幅降低至0.0035mg/（cm2·h），合金氧化评级为完全抗氧化性。合金的外层氧化膜随着保温时间的延长逐渐生长完全，氧化膜由均匀致密的颗粒状氧化物组成。通过EDS能谱和XRD检测出外层氧化膜为Fe2O3和Mn2O3的混合氧化物，内层为Cr2O3氧化物。在氧化时间至1500h时，合金达到完全抗氧化性级别。
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