Si、Mn对GH3230合金抗氧化性能影响的研究

发布时间：2020-06-16 10:43

【摘要】：燃烧室是航空发动机中的关键热端部件之一,其服役温度为700℃~1050℃,瞬时工作温度可达1100℃以上,不仅要求所用材料具有良好的高温强度,同时需要其具有优异的抗氧化性能。GH3230合金是一种常用的燃烧室用高温合金,该合金加入W和Mo元素进行固溶强化,获得良好的高温强度;同时合金中还含有20%左右的Cr元素,在1000℃以下氧化过程中可以生成致密的Cr_2O_3,具有优异的抗氧化性能,但当服役温度达到1000℃以上时,Cr_2O_3不稳定,易转化为挥发性的CrO_3,导致氧化膜致密性和完整性下降,合金抗氧化性能降低。本文在GH3230合金中加入Si、Mn元素进行微合金化,研究Si、Mn元素对合金在不同温度下(900℃-1100℃)氧化行为的影响规律,阐明上述元素的添加在合金抗氧化中的作用,从而改善该合金1000℃以上的高温抗氧化性能。本课题获得的研究结果如下:(1)利用热重分析法深入研究了Si元素对合金抗氧化性能的影响,结果表明:合金中的Si元素可在高温氧化过程中减缓氧化膜中Cr_2O_3的挥发,从而保证了合金氧化膜的完整性和稳定性,避免了内部合金再次暴露在空气中导致的二次氧化。Si元素减缓氧化铬挥发的机理为:Si在氧化过程中生成二氧化硅,并逐渐占据氧化铬挥发后的位置,保证了氧化膜的完整性和致密性;同时,在氧化膜表层生成的二氧化硅还能阻止内部氧化铬与空气的接触,减缓氧化铬的挥发。(2)利用热重分析法深入研究了Mn元素对合金抗氧化性能的影响,结果显示:合金中Mn元素有利于提高合金氧化膜的粘附性和致密性,在合金表面形成一层MnCr_2O_4的保护膜,防止合金的进一步氧化。Mn元素提高合金抗氧化性能的机理为:在氧化初始阶段,合金表面形成Cr_2O_3的氧化膜,随着氧化时间的延长,Mn元素逐渐扩散到表面,以Cr_2O_3为形核中心,生成较为致密的MnCr_2O_4球状氧化物,阻止空气中的氧元素向合金内部扩散,有利于合金的抗氧化性。(3)在高温暴露条件下,Mn元素与Si元素之间亦存在交互作用:Si元素在氧化过程中抑制了Mn元素的扩散,导致合金氧化膜的成分出现差异,氧化膜中Mn含量降低;同时由于Si元素减缓了Mn元素的扩散,使其氧化时不能形成较为致密的MnCr_2O_4团聚物,抗氧化性能受影响。本文研究了Si、Mn元素对GH3230高温氧化的影响机理,证明了这两种元素的添加有利于提高合金的抗氧化性能;其研究结果具有一定的普适性,可推广至其他高温合金,但需要相应的后期试验来进行验证。
【学位授予单位】：钢铁研究总院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG132.3
【图文】：

金属氧化,Ellingham图

金属氧化反应△Gθ-T图（Ellingham图）

元素分布图,合金,元素分布,截面

(a:3# b:4# 1:Si 2:Mn)图 3-3 合金在 1100 ℃氧化 191 小时后截面的元素分布图对比 3#和 4#合金的截面元素分布，结果如图 3-3，由图可见，不含 Si 的

【参考文献】