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太阳能热发电站中储热系统的运用可解决太阳能因昼夜、四季交替而无法连续稳定供应的问题。321不锈钢作为一种韧性好的含Ti奥氏体不锈钢,被广泛运用于太阳能热发电系统的换热管等重要部件。AlSi12合金因导热储热性能优良且来源丰富,被认为是最理想的高温相变储热材料之一。在实际运用中,AlSi12合金自重和热膨胀产生的循环载荷将导致储热系统换热管发生疲劳破坏,并且熔融AlSi12合金的腐蚀会加速换热管的断裂失效。渗铝能够有效提高材料的抗熔融铝液腐蚀性能,但单一渗铝工艺无法满足换热管力学性能要求,而激光冲击强化是一种有效强化材料力学性能的表面改性工艺,因此本研究采用粉末包埋渗铝复合激光冲击强化工艺对321不锈钢进行表面改性处理,研究了材料的高温拉伸行为、高周疲劳行为及熔融AlSi12合金腐蚀-高周疲劳行为,从表面参数、断口分析等角度揭示不同环境和加载方式下表面改性对材料失效机制的影响。主要得出以下结论:(1)分析渗铝321不锈钢的微观组织、显微硬度、XRD及表面粗糙度,发现渗铝后,渗层结合紧密,分层明显,从表面至基体分别是最外层Al2O3薄膜、过渡层Fe-Al金属间化合物(FeAl、FeAl2、Fe3Al)、内渗层Al(Fe,Cr)固溶体。渗铝321不锈钢渗层硬度高于321不锈钢,而其基体略微软化,退火后,渗层厚度增加且材料整体硬度提高。渗铝和退火后,材料的表面粗糙度增加。随着激光功率密度和冲击次数的增加,渗铝321不锈钢的表面粗糙度和渗层显微硬度均增加。(2)通过研究渗铝、退火对321不锈钢高温拉伸性能的影响,发现渗铝及渗铝退火均导致屈服强度、抗拉强度降低,渗铝后材料延伸率大幅下降,但退火后材料延伸率大幅提高。激光冲击后渗铝钢的屈服强度、抗拉强度和延伸率均有提高,其中激光密度为6.59 GW/cm2的三次冲击渗铝321不锈钢拉伸性能最佳。(3)与321不锈钢相比,渗铝321不锈钢、渗铝后退火321不锈钢的高周疲劳寿命出现数量级下降,经过激光冲击强化处理后,渗铝321不锈钢的疲劳寿命提升,总体上,疲劳寿命随冲击次数和功率密度的增加而增加,其中激光密度为6.59 GW/cm2三次冲击渗铝321不锈钢的高周疲劳性能最佳。从断裂方式来看,无论是经过渗铝、退火还是激光冲击强化处理,过渡层Fe-Al金属间化合物的断裂方式为:Fe3Al相为穿晶解理断裂,FeAl相为沿晶断裂;内渗层Al(Fe,Cr)固溶体的断裂方式为脆性解理断裂。(4)在熔融AlSi12合金环境中,321不锈钢受到严重腐蚀,高周疲劳寿命大幅下降。但渗铝321不锈钢的疲劳寿命几乎不受熔融AlSi12环境影响,其疲劳断裂机制与处于高温空气环境中的试样断裂机制相似。冲击密度为6.59GW/cm2的三次冲击渗铝321不锈钢抗熔融AlSi12合金腐蚀-疲劳性能最佳。