氧分压对Ni-Cr-Fe基合金氧化成膜特性影响的研究
Ni-Cr-Fe基合金作为抗渗碳防结焦材料被广泛应用于石油化工与精炼加工装置中,环境中的弱氧化性气氛对设备材料的高温抗氧化性能提出了越来越高的要求。因此,深入认识Ni-Cr-Fe基合金抗氧化机理,寻求合金抗氧化新工艺、新方法及为进一步开发研制新型Ni-Cr-Fe基合金提供参考等是本课题研究的目的。
本研究以铸态Ni-Cr-Fe合金及工业中广泛应用的Inconel625板材成品为实验合金,在1050℃弱氧化性环境中保温进行高温氧化实验。首先,以铸态Ni-Cr-Fe合金为试样,分别在含有不同饱和水蒸气量的氢气中进行高温氧化实验,探讨在弱氧化性的湿氢环境中不同氧分压对合金氧化速率、氧化膜组成及形貌的影响。其次,以铸态Ni-Cr-Fe合金和Inconel625为试样,分别在湿氢和纯氢两种气氛下进行高温氧化对比实验,探讨环境气体组分及流量对Ni-Cr-Fe基合金的氧化成膜特性的影响。此外,对两种合金进行湿氢环境中的循环氧化实验,分析比较抗氧化性机理。然后依据氧化增重,SEM扫描电镜,EDS能谱分析,XRD分析,金相显微观察等多种测试手段,系统研究了氧分压与气氛对Ni-Cr-Fe基合金的氧化作用机理。最后,对合金在1050℃高温下复合氧化膜的形成进行热力学理论计算,并阐述复合氧化膜的氧化动力学,联系实验结论建立了合金复合氧化膜的生成模型。
结果表明,依据氧化物吉布斯生成自由能的大小,在实验环境氧分压范围内,合金基体中的Fe、Ni不被氧化,而Cr、Mn、Si等金属元素则不断竞争氧化。表面氧化膜从外到内氧化物组成依次为:Mn-Cr尖晶石型氧化物、Cr2O3及非晶SiO2。该氧化膜整体结构平坦,组织致密,氧化物颗粒度均匀细小,具有优异的抗氧化性能。氧分压实验中,氧化膜的厚度和氧化物形貌及组成对体系的氧分压关系密切:中等氧分压(15.9×10-18 atm)有利于表面尖晶石的形成,较低氧分压有利于形成厚而多孔的氧化膜,而高的氧分压则趋向于形成薄而致密的氧化膜。
气氛对比实验及循环氧化实验发现:弱氧化性气氛中,Inconel625和铸态Ni-Cr-Fe合金同样具有优异的抗氧化性,两种合金的氧化动力学曲线都遵循抛物线规律,氧化机制符合Wagner厚膜理论。而铸态Ni-Cr-Fe合金离子扩散主要通过晶界或缺陷等途径进行短路扩散,表面形成网状多孔结构氧化脊,并随氧化时间的延长而部分脱落;Inconel625离子扩散主要是以晶格扩散为主的体扩散进行,表面形成薄而致密的氧化膜。
最后,通过高温氧化实验,总结了Ni-Cr-Fe基合金复合氧化膜氧化动力学规律,并根据金属元素氧化热力学计算建立了复合氧化膜的形成模型,分析了复合氧化膜抗氧化性机制,为弱氧化性气氛下Ni-Cr-Fe基合金的高温氧化成膜特性的研究提供了理论依据。
Ni-Cr-Fe基合金;氧化成膜;氧分压;微观结构;抗氧化性能;防结焦材料
中国海洋大学
硕士
材料学
刘英才
2011
中文
TF125.13;TG174.451
86
2011-10-31（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）