高Cr含量镍基合金焊丝的制备及其抗高温氧化与腐蚀性能

发布时间：2020-04-02 04:55

【摘要】：针对热电厂锅炉设备等在运行过程中,零部件易发生高温氧化与热腐蚀的问题,本文研制开发出一种可以在普通钢构件表面进行喷涂的高Cr含量的镍基合金焊丝,以达到对工程构件表面的有效防护,同时降低产品的生产成本。采用真空感应熔炼方法,通过合理设计合金的化学成分及优化熔炼工艺,成功制备出了一种Cr含量较高的镍基合金(含42.98%Cr)。进一步对铸态合金进行锻造和拉拔处理,最终获得直径为2mm的焊丝成品。对制备的合金铸锭、锻造状态试样、焊丝成品进行金相组织观察与力学性能测试,并对铸锭与锻态合金试样进行了X射线衍射分析与拉伸断口扫描观察,结果表明,铸态合金的组织与性能符合预期设想,制备出的焊丝其力学性能满足实际使用要求。为了进一步探究制备出的高Cr含量镍基合金焊丝的抗高温氧化及耐热腐蚀性能,分别选取锅炉管道及高温受热面常用材料Q345钢和304不锈钢两种材料作为基体,采用电弧喷涂工艺分别在两种基体表面制备高Cr含量镍基合金涂层。分别对Q345钢涂层试样在750℃、304不锈钢涂层试样在1000℃条件下的抗氧化行为与耐热腐蚀行为进行了研究,并与相同试验条件下无涂层的Q345钢、304不锈钢基体试样的高温氧化与腐蚀行为进行了对比分析。结果表明,在两种不同基体上喷涂涂层,经过0-60h高温氧化与热腐蚀后,两种涂层试样的氧化动力学曲线与腐蚀动力学曲线均呈抛物线型,且拟合度都高于0.97。而无涂层基体试样的氧化动力学曲线与腐蚀动力学曲线都趋于直线式增长。微观分析显示,在高温下涂层表面生成了连续的Cr_2O_3与具有尖晶石结构的NiCr_2O_4等氧化物,这些组成相致密、均匀分布在涂层中,能够有效阻碍氧原子侵入基体,抑制氧化与腐蚀过程的持续进行。总之,采用电弧喷涂方法在Q345钢、304不锈钢表面制备的高Cr含量镍基合金涂层,在高温下表现出良好的抗氧化性能与耐热腐蚀性能,可对热电厂钢制构件与零部件进行有效防护,提高其工作温度和使用寿命。
【图文】：

镍基高温合金,高温合金,抗蠕变,耐腐蚀性

高温合金可按照多种方式进行分类。按照基体合金元素种类的不同可分为：铁基、镍基、钴基高温合金，如图1.1 所示；按照强化机制不同可分为：固溶强化、时效强化两种合金；根据生产加工工艺不同可以分为：铸造高温合金、变形高温合金、新型高温合金（包括粉末冶金高温合金、氧化物弥散强化高温合金、钛铝系金属间化合物）等。图 1. 1 高温合金的分类镍基高温合金具有强度硬度高、韧性高、耐热耐腐蚀性好、导热系数低、抗蠕变等性能特点，，约占燃气轮机用材料的50%。镍基高温合金具有良好的高温抗氧化性能和耐腐蚀性能，主要原因如下：(1)镍属于面心立方结构，组织稳定性较高，在各种温度下不发生同素异构转变，与铁素体组织相比具有更高的高温强度[1]；(2)镍基高温合金中可以溶解较多的合金元素，合金化能力强，结构稳定；(3)能够形成共格有序的A3B型金属间化合物γ′[Ni3(Al,Ti)]相，产生沉淀强化效果。镍基高温合金中往往需要添加多种合金元素，使其具有优异的综合性能。以下对镍基合金中常见的合金元素及其所起的作用进行简述。(1)Ni 是高温合金中的主要元素，能提高合金的强度，又使合金具有良好的塑性和韧性。Ni 对酸碱腐蚀介质具有很高的耐腐蚀性，在高温下具有较高的耐腐蚀性和耐热能力。考虑到国内镍资源相对缺乏，从节约资源

高温合金,历程,镍基高温合金,镍基合金

12]。从图1.2中镍基高温合金的发展历程可以看出，其主要研究开发方向如下：(1)改变镍基合金的化学成分，探索不同元素组合来获得优异的性能；(2)改进生产制造工艺，借助新技术、新设备进行镍基合金研制。20世纪50年代，真空感应熔炼技术的出现，为镍基高温合金的发展提供了重要的技术支持；20世纪60年代，发达国家采用熔模精密铸造技术，生产出了许多高温强度较高的铸造合金；随后陆续生产出了单晶及粉末冶金高温合金，使合金的性能与稳定性更加优异。经过广大技术人员的不懈努力，镍基高温合金的质量逐步提高，合金的工作温度大约以每年10℃的速度持续升高
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG174.4

【参考文献】