Super304H奥氏体耐热钢长期服役过程中Σ3晶界演变与σ相析出行为及其对性能的影响机制研究

推荐：针对超超临界锅炉用Super304H钢在长期高温高压服役中σ相析出导致的性能退化问题，研究人员系统研究了650℃/5MPa条件下服役3-10年样品的Σ3晶界演变规律与σ相析出动力学。发现σ相通过M23C6碳化物异质形核、Cr元素单向扩散生长的机制，揭示了晶界类型（RGBs/ITBs/CTBs）对析出行为的调控作用，为评估锅炉管件安全寿命提供理论依据。

　　

随着全球能源结构调整和减排需求加剧，超超临界（USC）火力发电技术因能显著提升能效而备受关注。这一技术的核心挑战在于开发能在650℃以上高温高压环境中长期稳定运行的耐热材料。Super304H钢作为18-8型奥氏体耐热钢的升级版，通过添加3%Cu、0.45%Nb等元素使其蠕变强度较传统TP304H提升30%，成为锅炉过热器/再热器管道的首选材料。然而实际运行中发现，这种材料在长期服役过程中会析出脆性σ相（Fe-Cr金属间化合物），导致管件脆性断裂风险激增，国内外已发生多起因σ相析出引发的锅炉爆管事故，单次事故经济损失可达数千万美元。

为揭示这一关键问题，国内某研究机构的研究团队首次对实际服役3年、10年的Super304H锅炉管样品展开系统研究。通过多尺度表征结合热力学计算，阐明了σ相在热-力耦合条件下的形核-生长机制及其与晶界演变的交互作用，相关成果发表在《Materials》期刊。

研究采用电子背散射衍射（EBSD）定量分析晶界特征，结合透射电镜（TEM）和扫描电镜（SEM）观察析出相演变，通过Thermo-Calc软件模拟析出动力学，并用电化学工作站测试腐蚀性能。关键创新在于首次获取了真实服役环境下（650℃/5MPa）的材料演化数据，而非传统实验室模拟条件。

【Σ3晶界演变规律】
EBSD五参数分析显示：随着服役时间从0年增至10年，共格Σ3晶界（CTBs）比例从26.2%降至22.01%，降幅达15.99%。这种晶界退化源于高温应力作用下{111}晶面偏离，导致低能共格界面转变为高能非共格界面，为σ相析出创造有利位置。

【析出相竞争机制】
M₂₃C₆碳化物优先在随机晶界（RGBs）和非共格Σ3晶界（ITBs）形核，尺寸分别为200-500nm和50-100nm。热力学计算表明：当基体Cr含量>18.4%时σ相开始析出，其体积分数与Cr含量正相关，与C含量负相关。服役10年后，σ相（2.7vol%）与稳定M₂₃C₆（8.5vol%）形成竞争析出关系。

【σ相生长机制】
TEM观察到σ相独特的"半椭球"形貌：一侧保持与基体的{111}//{111}共格界面，另一侧呈弧形向晶内生长。高分辨分析揭示其通过"M₂₃C₆→σ相"原位转变机制发展，Cr元素主要来自基体扩散而非碳化物溶解。Avrami指数n=1.2078表明生长受界面与扩散混合控制。

【性能退化机理】
σ相周围出现Cr贫化区（Cr含量<12%）和析出自由区（PFZ），使自腐蚀电位从-0.218V（3年）降至-0.38V（10年）。10年样品晶界处可见大量σ相脱落形成的腐蚀坑，同时PFZ区域因缺乏第二相强化作用成为蠕变薄弱环节。

这项研究首次建立了Super304H钢在实际服役条件下"晶界演变-σ相析出-性能退化"的完整关联模型。工程上建议将Cr含量控制在18-18.4%、提高C含量至标准上限（0.13%），可有效延缓σ相析出。该成果为评估超超临界锅炉管剩余寿命提供了关键判据，对预防重大安全事故具有重要指导价值。