氧分压对Ni-Cr-Fe基合金氧化成膜特性影响的研究

论文摘要

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Inconel 625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Inconel 625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,Inconel 625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;Inconel 625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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 镍基高温合金概述
• 1.2.1 定义、应用与分类
• 1.2.2 镍基高温合金技术发展趋势
• 1.2.3 镍基合金成分与性能
• 1.2.4 镍基高温合金的相组织
• 1.2.5 合金主要元素作用机理
• 1.2.6 稀土元素和杂质影响
• 1.3 金属高温氧化理论研究进展
• 1.3.1 高温氧化机理
• 1.3.2 Wagner 氧化理论简介
• 1.3.3 金属高温氧化热力学
• 1.3.4 金属高温氧化动力学
• 1.3.5 高温氧化性能影响因素
• 1.3.6 高温氧化测试与研究方法
• 1.4 氧化物膜的结构与性能
• 2O₃ 氧化膜特征'>1.4.1 Cl₂O₃氧化膜特征
• 2O₃ 氧化膜特征'>1.4.2 Al₂O₃氧化膜特征
• 2 氧化膜特征'>1.4.3 SiO₂氧化膜特征
• 1.4.4 尖晶石型氧化物膜
• 1.5 镍基高温合金的高温氧化行为
• 1.5.1 内氧化物析出状态
• 1.5.2 合金元素选择性氧化
• 1.5.3 多层氧化膜的形成
• 1.6 氧分压及气氛对高温合金氧化行为影响
• 1.6.1 氧分压理论简介
• 1.6.2 还原性气氛影响
• 1.6.3 空气影响
• 1.6.4 水蒸气或富氧气氛影响
• 1.6.5 以硫化和氯化为主的混合气氛影响
• 1.7 课题研究的内容和意义
• 2 实验内容与研究方法
• 2.1 合金试样选取与制备
• 2.2 实验仪器与检测
• 2.2.1 实验仪器设备
• 2.2.2 实验结果分析与检测
• 2.3 高温氧化实验
• 2.4 金相组织观察
• 2.4.1 金相试样制备
• 2.4.2 金相显微观察
• 3 氧分压对铸态Ni-Cr-Fe 合金成膜影响
• 3.1 实验设计及方法
• 3.2 实验结果与分析
• 3.2.1 氧化增重
• 3.2.2 氧化产物及形貌
• 3.3 讨论
• 3.4 本章小结
• 4 气氛对Ni-Cr-Fe 基合金氧化行为影响
• 4.1 实验设计及方法
• 4.1.1 不同气氛的高温氧化
• 4.1.2 循环氧化
• 4.1.3 不同气体流量的高温氧化
• 4.2 实验结果与分析
• 4.2.1 不同气氛对合金氧化膜影响
• 4.2.2 循环氧化对合金氧化膜影响
• 4.2.3 不同气体流量对氧化增重影响
• 4.3 讨论
• 4.4 本章小结
• 5 复合氧化膜氧化机理分析
• 5.1 复合氧化膜形成热力学计算
• 5.2 复合氧化膜的扩散性
• 5.3 复合氧化物生成模型
• 5.4 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 硕士期间发表的学术论文