含碲钴基粉末烧结态合金高温耐腐蚀性能研究

发布时间：2020-06-22 07:40

【摘要】：钴基高温合金比铁基、镍基合金具有较低的热膨胀系数、较好的抗高温氧化和耐腐蚀性能及较高的导热性能,因此常用来制造汽车、船舶发动机及各种燃气涡轮的热端零部件。然而对于现代动力装置,特别是在航天、航空、船舶等领域使用的涡轮盘、涡轮叶片及重型燃气机的气门、气门座等长期承受高温氧化和燃气残留物的热腐蚀,造成表皮氧化脱落,成为热端部件主要的失效形式之一。因而开发高性能的抗高温耐腐蚀合金材料以防关键零部件的失效,对延长高温热端零部件使用寿命及提高发动机设备动力装备质量具有重要意义。Te是一种稀散元素,微量的Te能提高合金粉末的自熔性,在烧结时不仅起到排气清渣净化合金,削弱有害元素的不利影响的作用之外,还显著改善其综合性能,是当代高新科技材料不可或缺的点睛元素之一。因此研究添加微量Te元素的钴基合金,对提高钴基合金抗熔盐热腐蚀性能,改善高温热端零部件制品的质量具有十分重要的意义。从国内外高温合金制备技术的研究情况来看,粉末冶金制品组织稳定,成分均匀,无明显宏观偏析,是提高高温合金材料抗氧化腐蚀性能的有效手段之一。因此本研究采用粉末冶金烧结含碲钴基合金试样,然后将不同Te含量(0、0.4wt.%、0.8wt.%、1.6wt.%、2.4wt.%)的钴基合金置于800±5℃75%Na_2SO_4+25%NaCL溶盐环境中进行热腐蚀实验,用分析天平、金相显微镜、XRD衍射仪、扫描电镜等设备仪器分别研究合金热腐蚀和高温氧化腐蚀行为,结果表明:(1)钴基合金中加入Te元素后,在800±5℃75%Na_2SO_4+25%NaCl溶盐腐蚀环境下能提高氧化膜的致密性、连续性和稳定性。随着Te元素质量份数增加,合金腐蚀速率逐渐降低。其中,富Cr相在合金晶界处均匀析出,形成CoTeO_3、Fe_2TeO_5、CrTe等新相分布于合金基体。在高温熔盐腐蚀过程中,富Cr相形成Cr_2O_3氧化膜以及含Te的化合物新相能抑制Co原子向晶界扩散,避免合金基体中的Co元素溶解,阻止熔盐深度腐蚀,提高合金的热腐蚀性能。(2)不含Te及含Te1.6wt.%的钴基合金试样在800℃高温氧化初期,腐蚀产物增重较快,整个过程符合Wagner的抛物线氧化理论规律。氧化后期,钴基合金在晶界处形成Cr_2O_3、SiO_2等氧化膜团块,致密性较差,容易产生氧化膜应力而脱落,在合金氧化膜表面造成疏松或孔洞。含Te1.6wt.%的钴基合金,形成的碲化合物相,一方面促进发生选择性氧化反应,在试样最外层形成连续致密的Cr_2O_3保护膜,另一方面在氧化膜中起到钉扎作用(阻止氧化膜爆裂脱落),形成SiO_2、WO、Fe_2O_3等过渡层氧化膜,提高合金的抗高温氧化性能。
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TF125
【图文】：

发动机气门,腐蚀图,气门座,涡轮叶片

1.1 引言金属材料的腐蚀现象普遍存在于工业生产的各个领域中，其腐蚀过程及腐蚀原理也相当复杂，涉及冶金学、化学、物理化学、电化学、金属工艺学等诸多科学领域，是材料耐腐蚀性研究的一项重要课题。航空发动机、燃气轮机和内燃机发动机等装置的燃烧室所用燃料通常含有硫氯等有害元素，长期使用会使其热端部位的零部件表面沉积一层硫酸盐和氯化盐的混合物，在高温下与空气中的氧共同作用，将进一步恶化工况环境，加速零部件腐蚀（如图 1.1），弱化其物理化学性能，酿成事故造成巨大的经济损失。因此热端零部件材料腐蚀的问题一直是航天航空尖端科学技术领域亟待攻关克服的一项关键技术难题。高温合金材料在600~1200℃的温度下仍具有较高的强度、良好的热加工工艺性、优异的抗氧化及抗热腐蚀性能[1]，是在高温氧化及热腐蚀等恶劣工况下使用零部件的理想材料。

体系,合金,金元,元素

到合金外表面内层，从而减缓合金氧化速率；若面的氧化物并未连连续，则上述两种氧化机理将蚀的一般过程及其机理硫酸盐、氯化盐及含氧的高温环境中，通常会发过程中，因合金元素周围氧与硫分压分布及合金因素，使得腐蚀过程相当复杂，大致也是经过物离态离子结合过程。是金属元素 M 与氧、硫体系的平衡相图，其中 P 压。根据此图可知，合金中的金属元素 M 可发生线左上方，合金元素 M 只发生硫化，为硫化物，当氧化膜与气相界面硫分压较大时，则合金面氧分压较大时，则发生氧化；在 Ⅴ -Ⅲ-Ⅵ 区域，合金元素 M 的氧化，硫则以扩散的形式透过氧化合金元素 M 氧化，氧分压下降硫分压上升，则发域，合金元素 M 只发生氧化[17]。

【参考文献】