四元Co-20Ni-xCr-yAl(x=8,15 wt.%;y=3,5wt.%)合金在800℃-1100℃纯氧气中的氧化行为研究

【作者】 吕云蕾； 任延杰； 郭晓慧； 戴汀； 陈荐； 牛焱；

【机构】 长沙理工大学能源与动力工程学院； 中国科学技术大学材料与工程学院；

【摘要】 通过研究四种四元Co-20Ni-xCr-yAl (x=8,15 wt.%; y=3,5wt.%)合金分别在800℃-1100℃纯氧气中的氧化行为,分析其动力学和热力学特征以及保护性氧化膜的形成与退化机制,讨论Cr和Al在氧化膜形成中的协同作用,为发展新一代高温耐蚀工程材料提供理论依据。合金由纯度为99.99%的金属原料在Ar保护下,经真空感应熔炼,制成直径为5cm、高为10cm的铸锭,合金铸锭经1000℃在Ar中退火36小时以消除残余应力。合金的名义成分及经ICP光谱分析测得的真实成分列于表1。合金锭经线切割制成尺寸为10×8×1.5mm的片状试样,表面磨至2000#砂纸,依次用丙酮、酒精超声清洗后干燥,挂于Setaram B-92热天平中进行氧化实验,持续20-24h,连续测量试样质量变化,采用先升温到预定温度再提升炉体使试样处于恒温区的方式。氧化后的试样采用扫描电子显微镜(SEM)观察截面形貌,用能谱(EDAX)、电子探针(EPMA)、X射线衍射(X-RD)等分析氧化物的组成和结构。结果表明,温度从800℃升高到900℃对Co-20Ni-15Cr-5Al有正面影响,而对其他三种合金有负面影响,会导致氧化速率大大加快。温度继续升高到1000℃,对Co-20Ni-8Cr-5Al有正面影响,对其他三种合金有负面影响。温度从1000℃升高到1100℃对8wt.%Cr含量的两种合金的氧化有积极影响,对Co-20Ni-15Cr-3Al有负面影响,对CO-20Ni-15Cr-5Al几乎没有影响。在所有的温度下,所有合金的表面都形成了双层外氧化膜,有的是连续的氧化膜,有的是结核状的,由混合Co-Ni氧化物的外层和含有相同氧化物以及Co-Ni-Cr-Al尖晶石混合物的内层组成,并且在外氧化膜下通常存在铝的内氧化区域。每种合金在800℃都有外氧化铝膜的形成,而在900℃和1000℃下只有少量氧化铝膜在Co-20Ni-15Cr-5Al表面形成,1100℃下除了Co-20Ni-15Cr-5Al表面还在Co-20Ni-8Cr-5Al表面形成。总之,铬和铝含量的增加可以降低合金的氧化速率,两者同时存在可以通过第三元素效应降低形成外部氧化铝膜所需的临界铝含量,但在所有温度下5wt.%Al的含量对于Cr含量为8-15wt.%的合金依然不足以形成连续的外氧化铝膜。最后,与具有相似铬和铝含量的三元Co-Cr-Al和Ni-Cr-Al合金氧化行为之间的比较可以得出结论,相对于具有相似组成的三元镍基合金,在四元Co-Ni-Cr-Al合金中钴的存在对它们形成外部氧化铝膜的能力具有负面影响。更多还原