鐵基高溫合金是廣泛應(yīng)用于能源、冶金和石油化工等領(lǐng)域的高溫結(jié)構(gòu)材料。現(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(lái)越高的要求,通過(guò)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(kāi)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(guò)Al、Si元素合金化植入的方法,采用中頻感應(yīng)電爐不氧化法熔煉鑄造試驗(yàn)合金。按照國(guó)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(guò)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(cè)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。zui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(cè)試。高溫合金K273與耐熱鋼ZG40Cr24通過(guò)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(lái)的12.2557g.m-2.h-1、3.53 1 9 g.m-2.h-1降低到0.3542g.m-2.h-1、0.0633g.m-2.h-1,由原來(lái)的不抗氧化、弱抗氧化提升為強(qiáng)抗氧化和*抗氧化水平。通過(guò)金屬元素氧化熱力學(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(jìng)爭(zhēng)氧化與還原,zui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(guò)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)散性的測(cè)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(wú)數(shù)個(gè)PN結(jié),PN結(jié)具有單向電荷導(dǎo)通性,無(wú)數(shù)個(gè)PN結(jié)在空間上呈現(xiàn)無(wú)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*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(lái)的1.2681 g.m-2.h-1降低為0,達(dá)到*抗剝落性。這是由于a-Al2O3與Fe基體體積比值：1.5<PBRα-Al2O3／Fe<2,以及N型半導(dǎo)體氧化物Si 0z于氧化膜外層生長(zhǎng),使生成的復(fù)合氧化膜既致密完整,又不產(chǎn)生生長(zhǎng)應(yīng)力破壞氧化膜。同時(shí)晶粒均勻細(xì)小的復(fù)合氧化膜通過(guò)Hall-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(guò)對(duì)氧化增重?cái)?shù)據(jù)的zui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<b<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(guò)合金化元素配比,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)合金表層自發(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*抗氧化水平。試驗(yàn)合金室溫拉伸強(qiáng)度達(dá)到σb 386.7MPa,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σb 122.5MPa,屈服強(qiáng)度σp0.295.5MPa,斷面收縮率ψ18.4%。室溫及高溫強(qiáng)塑性達(dá)到較高水平。
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