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無錫國勁合金有限公司
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閱讀：183發布時間：2017-2-10
鐵基高溫合金是廣泛應用于能源、冶金和石油化工等領域的高溫結構材料。現代工業的高速發展對設備材料的高溫抗氧化性能提出了越來越高的要求,通過復合氧化膜的高溫抗氧化性能研究,對深入認識鐵基高溫合金抗氧化機理,尋求合金抗氧化的新工藝、新方法,提高合金抗氧化使用溫度,進一步開發研制新型高性能鐵基高溫合金具有重要意義。本文以鐵基高溫合金K273與耐熱鋼ZG40Cr24為母合金,通過Al、Si元素合金化植入的方法,采用中頻感應電爐不氧化法熔煉鑄造試驗合金。按照國標依據氧化增重的方法對試驗合金進行1100℃,500小時抗氧化試驗。通過SEM掃描電鏡,EDS能譜分析,X-射線衍射分析,直流雙橋電阻儀,激光導熱儀等多種測試技術,系統研究了氧化膜形貌、氧化膜成分對試驗合金抗氧化性能的影響；復合氧化膜的熱力學生成；復合氧化膜生成后阻滯基體金屬進一步氧化的機制；試驗合金氧化動力學規律以及氧化膜高溫熱穩定性、抗剝落性。zui后以實驗為依據,結合理論分析研制了雙相鐵基高溫合金,對其高溫抗氧化性以及高溫、室溫強塑性進行了綜合測試。高溫合金K273與耐熱鋼ZG40Cr24通過合金化植入2wt.%Si+4wt.%Al后,高溫抗氧化性能均得到顯著提高,1100℃氧化增重速率分別由原來的12.2557g.m-2.h-1、3.53 1 9 g.m-2.h-1降低到0.3542g.m-2.h-1、0.0633g.m-2.h-1,由原來的不抗氧化、弱抗氧化提升為強抗氧化和*抗氧化水平。通過金屬元素氧化熱力學計算建立了復合氧化膜的生成模型。試驗合金于1100℃高溫下,依據氧化物吉布斯生成自由能的大小,Fe、Cr、Ni、Mn、Al、Si等金屬元素不斷競爭氧化與還原,zui終生成了由Cr2O3,α-Al2O3,SiO2及尖晶石Fe(Ni,Mn)Cr2O4組成的復合氧化膜。該復合氧化膜結構平坦,組織致密,氧化物顆粒度均勻細小,具有優異的抗氧化性能。通過氧化膜形貌,物相成份,元素分布等實驗表征,以及氧化膜電導性與熱擴散性的測量分析,研究了復合氧化膜的抗氧化機制。復合氧化膜是由P型半導體氧化物和N型半導體氧化物高度復合而成,減少了氧化膜內部離子、電子的擴散遷移數量,大大降低了金屬基體的進一步氧化反應速度；同時,氧化膜內部的P、N型半導體氧化物組成了無數個PN結,PN結具有單向電荷導通性,無數個PN結在空間上呈現無序排列,各向同性,于是復合氧化膜任意方向均為電荷非導通狀態,整體表現出電絕緣性質,因此復合氧化膜阻止了電化學腐蝕的進行,合金的抗氧化耐腐蝕能力*提高。Al、Si元素的加入使高溫合金K273與耐熱鋼的氧化膜抗剝落性大大增強,1100℃ZG40Cr24試驗合金氧化膜剝落速率由原來的1.2681 g.m-2.h-1降低為0,達到*抗剝落性。這是由于a-Al2O3與Fe基體體積比值：1.5<PBRα-Al2O3／Fe<2,以及N型半導體氧化物Si 0z于氧化膜外層生長,使生成的復合氧化膜既致密完整,又不產生生長應力破壞氧化膜。同時晶粒均勻細小的復合氧化膜通過Hall-Petch細晶強化原理大大增強了其自身的結合強度,因此復合氧化膜的高溫熱穩定性大大增強。通過對氧化增重數據的zui小二乘法回歸分析,復合氧化膜1100℃氧化動力學曲線嚴格遵循冪函數規律,冪函數方程為y=axb,(a>0,0<b<1),參數a、b共同影響曲線的位置高低和初始抗氧化能力,參數b決定了曲線趨于平穩的能力。b值的大小反映了合金抗氧化性能,b值增大,合金抗氧化性較差；b值減小,合金抗氧化性增強。通過合金化元素配比,研制了一種新型雙相鐵基高溫合金：15Cr23Ni9Al3Si2,試驗合金基體由奧氏體與鐵素體兩相組成。1100℃高溫下,試驗合金表層自發生成P+N型半導體復合氧化膜,氧化增重速率為0.0576g.m-2.h-1,氧化膜剝落速率為0,達到了*抗氧化水平。試驗合金室溫拉伸強度達到σb 386.7MPa,屈服強度σp0.2305.8MPa,斷面收縮率ψ5.8%；1100℃高溫拉伸強度達到σb 122.5MPa,屈服強度σp0.295.5MPa,斷面收縮率ψ18.4%。室溫及高溫強塑性達到較高水平。
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