陈礼清:新型耐高温铁素体不锈钢高温抗氧化行为及机理研究取得新进展

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最近，东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室、2011钢铁共性技术协同创新中心陈礼清教授等人开展了一项全新研究，深入探索了元素W和稀土Ce对新型中铬耐高温铁素体不锈钢高温抗氧化行为的影响及其机理。他们设计了一系列不同W和Ce含量的444型铁素体不锈钢，开展了高温下抗氧化行为的研究，运用多种微观分析手段对其界面/基体处氧化产物和析出物等进行了表征。该研究发现：添加稀土元素Ce或同时复合添加一定量W能显著降低铁素体不锈钢在高温下的氧化反应速率，所形成的氧化膜更加均匀致密，并具有良好的附着性，在氧化膜/基体界面处缺陷数量明显减少。不同的W添加量对高温抗氧化行为起不同的作用；添加Ce或同时添加Ce和W元素可以降低(Fe,Cr,Si)2(Nb,Mo)型Laves相在1000-1050oC下的固溶量，Laves相在晶粒内或晶界处析出可有效抑制反应元素的扩散。此外，在氧化膜/基体界面处析出的Laves相对氧化膜的生长行为和剥落机制产生重要影响，Laves相的大量析出会导致氧化膜的剥落。

        铁素体不锈钢因具有良好的成形性、优异的耐应力腐蚀和抗高温氧化性能及低成本等优点，深受研究者和业界的青睐；且铁素体不锈钢具有合适的导热系数及热膨胀系数，适合应用于热交换及热循环的场合；这些优点使得铁素体不锈钢成为制备固体氧化物燃料电池(SOFC)连接体和汽车排气歧管的最佳候选材料。目前用于制造汽车排气歧管的传统铁素体不锈钢的工作温度约为900oC，但为了适应环保要求、满足日益严苛的汽车尾气排放标准，并考虑汽油充分燃烧后的温升，汽车排气歧管的局部工作温度将达到950–1050oC，甚至高达1100oC。为适应新一代汽车排气系统热端在如此高温环境下使用，有必要在了解合金化机理进行合金设计的基础上，进一步深入认识新型铁素体不锈钢的高温服役及其退化行为。已有研究表明，通过添加合金元素W，铁素体不锈钢的抗热机械疲劳性能可得到改善，但W对铁素体不锈钢高温抗氧化性能的影响研究较少。此外，添加稀土元素也有希望提高铁素体不锈钢材料的高温抗氧化性能及耐热腐蚀性能。但是，迄今为止，合金元素的合适添加量及其作用机理仍不明确，尤其是高熔点合金元素W和稀土Ce的协同作用对铁素体不锈钢高温抗氧化性能的影响机理需要进一步探索。对多元合金化耐高温铁素体不锈钢的高温抗氧化行为及机理取得深入的认识，将对新型耐高温铁素体不锈钢的设计和应用起重要关键作用。

        该研究结果于2018年7月17日以“High temperature oxidation behavior of ferritic stainless steel containing W and Ce”为题，在线发表在国际著名期刊“Corrosion Science”上(5年影响因子为5.238)。该文的第一作者为博士研究生魏亮亮，陈礼清教授为该文通讯作者。研究工作得到国家自然科学基金委员会—中国宝武钢铁集团有限公司钢铁联合研究基金重点项目的资助(项目编号：U1660205)。