復(fù)合氧化膜對(duì)鐵基高溫合金抗氧化性能影響與機(jī)理研究.pdf

1、鐵基高溫合金是廣泛應(yīng)用于航空、航天、能源、冶金和石油化工等領(lǐng)域的高溫結(jié)構(gòu)材料?，F(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展對(duì)設(shè)備材料的高溫抗氧化性能提出了越來越高的要求,通過復(fù)合氧化膜的高溫抗氧化性能研究,對(duì)深入認(rèn)識(shí)鐵基高溫合金抗氧化機(jī)理,尋求合金抗氧化的新工藝、新方法,提高合金抗氧化使用溫度,進(jìn)一步開發(fā)研制新型高性能鐵基高溫合金具有重要意義。
　　 本文以鐵基高溫合金K273與耐熱鋼ZG40Cr24為母合金,通過Al、Si元素合金化植入的方法,采用中頻

2、感應(yīng)電爐不氧化法熔煉鑄造試驗(yàn)合金。按照國標(biāo)依據(jù)氧化增重的方法對(duì)試驗(yàn)合金進(jìn)行1100℃,500小時(shí)抗氧化試驗(yàn)。通過SEM掃描電鏡,EDS能譜分析,X-射線衍射分析,直流雙橋電阻儀,激光導(dǎo)熱儀等多種測試技術(shù),系統(tǒng)研究了氧化膜形貌、氧化膜成分對(duì)試驗(yàn)合金抗氧化性能的影響；復(fù)合氧化膜的熱力學(xué)生成；復(fù)合氧化膜生成后阻滯基體金屬進(jìn)一步氧化的機(jī)制；試驗(yàn)合金氧化動(dòng)力學(xué)規(guī)律以及氧化膜高溫?zé)岱€(wěn)定性、抗剝落性。最后以實(shí)驗(yàn)為依據(jù),結(jié)合理論分析研制了雙相鐵基高溫合

3、金,對(duì)其高溫抗氧化性以及高溫、室溫強(qiáng)塑性進(jìn)行了綜合測試。
　　 高溫合金K273與耐熱鋼ZG40Cr24通過合金化植入2wt.％Si+4wt.％Al后,高溫抗氧化性能均得到顯著提高,1100℃氧化增重速率分別由原來的12.2557g.m-2.h-1、3.5319 g.m-2.h-1降低到0.3542g.m-2.h-1、0.0633g.m-2.h-1,由原來的不抗氧化、弱抗氧化提升為強(qiáng)抗氧化和完全抗氧化水平。
　　 通過金

4、屬元素氧化熱力學(xué)計(jì)算建立了復(fù)合氧化膜的生成模型。試驗(yàn)合金于1100℃高溫下,依據(jù)氧化物吉布斯生成自由能的大小,Fe、Cr、Ni、Mn、Al、Si等金屬元素不斷競爭氧化與還原,最終生成了由Cr2O3,α-Al2O3,SiO2及尖晶石Fe(Ni,Mn)Cr2O4組成的復(fù)合氧化膜。該復(fù)合氧化膜結(jié)構(gòu)平坦,組織致密,氧化物顆粒度均勻細(xì)小,具有優(yōu)異的抗氧化性能。
　　 通過氧化膜形貌,物相成份,元素分布等實(shí)驗(yàn)表征,以及氧化膜電導(dǎo)性與熱擴(kuò)散性

5、的測量分析,研究了復(fù)合氧化膜的抗氧化機(jī)制。復(fù)合氧化膜是由P型半導(dǎo)體氧化物和N型半導(dǎo)體氧化物高度復(fù)合而成,減少了氧化膜內(nèi)部離子、電子的擴(kuò)散遷移數(shù)量,大大降低了金屬基體的進(jìn)一步氧化反應(yīng)速度；同時(shí),氧化膜內(nèi)部的P、N型半導(dǎo)體氧化物組成了無數(shù)個(gè)PN結(jié),PN結(jié)具有單向電荷導(dǎo)通性,無數(shù)個(gè)PN結(jié)在空間上呈現(xiàn)無序排列,各向同性,于是復(fù)合氧化膜任意方向均為電荷非導(dǎo)通狀態(tài),整體表現(xiàn)出電絕緣性質(zhì),因此復(fù)合氧化膜阻止了電化學(xué)腐蝕的進(jìn)行,合金的抗氧化耐腐蝕能力極

6、大提高。
　　 Al、Si元素的加入使高溫合金K273與耐熱鋼的氧化膜抗剝落性大大增強(qiáng),1100℃ZG40Cr24試驗(yàn)合金氧化膜剝落速率由原來的1.2681 g.m-2.h-1降低為0,達(dá)到完全抗剝落性。這是由于α-Al2O3與Fe基體體積比值:1.5

7、Petch細(xì)晶強(qiáng)化原理大大增強(qiáng)了其自身的結(jié)合強(qiáng)度,因此復(fù)合氧化膜的高溫?zé)岱€(wěn)定性大大增強(qiáng)。
　　 通過對(duì)氧化增重?cái)?shù)據(jù)的最小二乘法回歸分析,復(fù)合氧化膜1100℃氧化動(dòng)力學(xué)曲線嚴(yán)格遵循冪函數(shù)規(guī)律,冪函數(shù)方程為,y=axb,(a>0,0<6<1),參數(shù)a、b共同影響曲線的位置高低和初始抗氧化能力,參數(shù)b決定了曲線趨于平穩(wěn)的能力。b值的大小反映了合金抗氧化性能,b值增大,合金抗氧化性較差；b值減小,合金抗氧化性增強(qiáng)。
　　 通過合

8、金化元素配比,研制了一種新型雙相鐵基高溫合金:15Cr23Ni9Al3Si2,試驗(yàn)合金基體由奧氏體與鐵素體兩相組成。1100℃高溫下,試驗(yàn)合會(huì)表層自發(fā)生成P+N型半導(dǎo)體復(fù)合氧化膜,氧化增重速率為0.0576g.m-2.h-1,氧化膜剝落速率為0,達(dá)到了完全抗氧化水平。試驗(yàn)合金室溫拉伸強(qiáng)度達(dá)到σb386.7MPa,屈服強(qiáng)度σp0.2305.8MPa,斷面收縮率ψ5.8％;1100℃高溫拉伸強(qiáng)度達(dá)到σb122.5MPa,屈服強(qiáng)度σp0.29