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耐高温腐蚀的镍合金钢
镍合金因其具有抗高温腐蚀特性而在工业中大量使用。例如,在抗高温氧化方面,镍合金优于铁合金或钴合金。这些合金因其对间隙原子的溶解度低,因而对碳化、氮化的侵蚀具先天的耐受力。由于镍合金的卤化合物熔点高,所以它们在含卤素环境中也有良好的耐受力。  

     根据其主元素不同,镍合金被划分为Ni-Cr、Ni-Cr-Mo、Ni-Cr-W、Ni-Co-Cr、Ni-Cr-Fe、 Ni-Fe-Cr和 Ni-Mo合金。它们还可依据其是否可进行时效硬化而加以区分。镍合金通常利用伽玛初始微粒的弥散实施硬化。  

     伽玛初始相是面心立方A3B化合物,其中的 A主要是镍,而B主要是铝(有时偶尔还伴有钛)。伽玛双淬火组织则是体心四方相,其成分仍为A3B,只是这里B主要是铌。显然,伽玛淬火组织要求大量掺铝 (还可能有钛),而伽玛双淬火组织则要求大量掺铌。  

     时效硬化合金通常只用于气体涡轮机,在这里耐氧化和确定温度下保持强度是主要要求。对其他耐高温应用方面,则使用固溶硬化镍合金,因为这种合金使用温度较宽,而且较易于焊接和制造。有许多固熔强化合金是为适应特定高温腐蚀而制造的,如适用于硫化环境的镍合金。  

     在固溶强化合金中有时掺入铝,因为生成外部氧化铝膜可提高镍合金的抗氧化能力、例如 214合金 (NO7214)。通常这类合金工作温度须高于伽玛淬火组织的固溶相线,以防止弥散硬化造成的麻烦。  

    腐蚀模式  

     高温腐蚀的模式包括氧化、碳化、金属粉化、硫化、氮化、卤素侵蚀、熔盐侵蚀等。本文将只限于讨论氧化及碳化。  

     为了达到抵御高温氧化,多数镍合金仰仗于掺铬,掺量从 8%-48%不等。有些合金掺少量硅或锰,促使生成具保护作用的尖晶石型氧化物,还可掺入镧、钇之类的稀土元素以增强抗氧化层剥落。在许多镍合金中,铝是主要的掺杂剂,它可促进弥散硬化或生成抵御高温氧化的氧化铝防护层。  

     氧化侵蚀作用主要包含两方面:(1)由主金属生成氧化外皮带来的金属丢失,(2)由晶粒间侵蚀及生成孤立内部氧化物造成的损害。 

     金属丢失可进一步区分为连续的氧化物外皮或由热循环造成的氧化物外皮剥落。  

     至于内部侵蚀,如果零件暴露于空气中,则伴随着内生氧化物还可生成内部氮化物。尤其那些含有 Cr2O3的合金,如果发生大量氧化外皮剥落,或者因铝量不足而无法生成连续的Al2O3膜时,则内部侵蚀会更加严重。  

     用测量失重的办法并不能充分反映氧化侵蚀的情况。因此,必须用金相法检查并测量观察到的损失量。在下一节中,氧化侵蚀被表述为由金属丢失加上内部侵蚀平均值构成的被损害金属的平均量。  

    氧化侵蚀 

     可以设想,氧化侵蚀程度通常随温度上升而趋向严重。对样品进行了高温氧化试验,在流动空气中零件每过168h从高温降至室温一次,总计氧化时间 1008h。在980℃以上观察到生成挥发性 CrO3,而Cr2O3防护作用下降。该效应在 1205℃时最为明显。对214合金,在所有4个温度下的最低值 (980、1095、1150和 1205℃)表明,Al2O3具有最好的保护作用。 

     反复降至室温会造成氧化外皮剥落,因而对氧化侵蚀的效果最明显。在1095℃流动空气中,以不同循环时间进行了氧化实验。测试时间完全相同的两个样品,循环时间短的那个样品的损失量最大。在高速燃气中,循环时间短的样品,受腐蚀最为严重。  

     这种动态氧化实验是设计用于模拟飞机的气体涡轮发动机的工作状态。试验装置使用的燃油是№l和№2混合物,空气/燃料比 50:1,生成燃气速度为 0.3马赫。样品装于转动的圆盘传送带上。传送带每隔 30min将样品从高温区取出,以空气吹冷 2min后,再次返回高温区。这种试验显然更为严酷。  

     但是,不可以根据短时试验结果对长时间的作用做出判断。有些材料在长时间暴露状态下会表现出一种断裂氧化现象。例如,X (NO6002)和 HR-120(NO8120)合金在 1205℃进行长时间的破坏性氧化侵蚀试验。X合金样品在120天后完全损坏,而 HR-120合金则在330天后完全损坏。数据表明,两个合金都不适宜在1150℃以上长时间使用。  

    碳化侵蚀 

     碳化是在有含碳气体(如 CO、CO2、CH4或其他碳氢化合物)存在时碳侵入金属的一种现象。碳传送至金属表面,在金属中扩散并与合金元素生成各种碳化物。通常是在 800℃以上,碳活度小于 l时可观察到碳化。在温度较低而碳活度大于 1时,则会出现另一种侵蚀模式即金属粉化。  

     碳化与其他高温腐蚀模式不同,生成的内部碳化物造成金属变质、变脆并发生损坏。在这一模式中,不会因生成锈皮而造成金属丢失,侵蚀损害也不能用金属丢失加上内部腐蚀之和来表达。  

     在这里,碳化程度可以用碳增量 (mg/cm2)和碳化深度加以定义。碳化动力学决定于相关温度下碳的溶解度和扩散速度。  

     碳在镍合金中的溶解度低,因而广泛采用镍合金用于碳化环境中。但是耐热合金全部都含有铬、铝、硅等合金元素。因此碳化总会产生多种碳化铬。镍合金一般靠稳定氧化外皮保护免于碳化。在给定温度下,在气体混合物中的合金均会遭受氧化或碳化,这些作用均取决于该温度下的氧分压 (氧化学势)或碳的活度。 

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