镍基高温合金抗腐蚀性能的研究进展

1、郭亚雄1008020159材物101班镍基高温合金抗腐蚀性能的研究进展摘要:镍基高温合金作为航空航天发动机的核心材料,在以前,乃至现在,许多国家均将它列为战略材料。本文介绍了Ni-Cr系高温合金主要成分,及其热处理方式;另外,本文重点讲述了镍基高温合金抗腐蚀的研究进展;最后,分析镍基高温合金的不足及发展趋势。关键词:Ni-Cr系高温合金腐蚀研究现状0 前言随着人类科学技术的进步与发展,金属材料被广泛利用,其腐蚀与防护也就应运而生。Ni基高温合金作为较为理想的耐热材料,他不仅拥有很好的强度,还具有较高的塑韧性、可焊性能,已在交通运输、航空航天、核能工业、石油化工等中作为受热部件得到深刻关注。但由

2、于镍在地壳中资源匮乏,大部分均分布在古巴,价格昂贵,所以限制了其发展。再者,随着镍合金工作环境愈加严峻,研究其在更加苛刻环境下工作状况,显得尤为必要。近年来,G3合金已被广泛地应用在我国石油开采管道上,并得到好评。在电加热管道方面,水质,温度对其产生严重的冲蚀。Incoloy 800是Inco公司(SMC公司前身于2O世纪50年推出的。当时镍被认为是一种战略金属,Incoloy 800合金的推出是用来填补镍含量相对较低的耐热、耐腐蚀合金的市场需求。魏刚等人研究了加工工艺对Inco -loy800和Incoloy840两种镍基合金的腐蚀性能,结果表明,加工工艺显著降低了Incoloy840镍基合

3、金的点蚀电位,对Incoloy800镍基合金的点蚀电位影响较小;对两种镍基合金晶问腐蚀敏感性几乎都没有影响。1 Ni基高温合金镍基合金可分为:Ni-Cr系、Ni-Cu系、Ni-Fe系。镍基高温合金是在上个世纪30年代发展起来的一种性能优良的高温合金。最好的耐热钢和铁基耐热合金的最高工作温度只能达到750850o C,而镍基高温合金能在6501000上能稳定工作。镍基高温合金按其生产方式可分为铸造和变形两种合金。随着合金化程度和组元数的增加,合金的再结晶温度和热强度越来越高,但其熔点则越来越低,使得变形温度范围变窄、塑性变差,所以使用温度越高的镍基合金,其锻造性能也越差。现在的发展趋势是,对于要

4、求耐热温度高的镍基合金,更多地采用铸造合金。最早使用的是Cr20Ni80合金,目前使用的镍合金均是在其基础上发展起来的,如加入W、Mo、Ti、Nb、Co等,大多数镍基合金中是不含Fe的。在Fe基耐热钢中,为提高其热强性通常加入Cr、Mo、V。而在镍基合金中通常主加元素为Cr、W、Mo,它们在镍合金中能提高原子间结合力,减缓扩散,起固溶强化作用。值得一提的是,Cr的另外一个主要作用是提高高温抗氧化性能。Fe、Sb、Sn等低熔点元素,能降低熔点温度,强烈地降低晶界强度,使之高温性能下降。通常,加入稀土元素和碱土金属Ca等,可以净化晶界,提高镍基合金持久强度。杨瑞成等人在Ni-Cr-Mo合金中改变C

5、u(15wt%含量,研究发现,在Cl-溶液中w(Cu =3%的合金综合耐蚀性能最好,在质量分数80%的H2SO4 中有更宽的钝化平台和更低的维钝电流。添加微量的S(0.04 可改善Ni -Cu合金的切削性能。镍基高温合金采用金属件化合物作为沉淀强化相最为常见的是-Ni(Al, Ti相,相与镍基固溶体具有相同的点阵类型和很小的错配度,与基体形成共格关系,在高温下聚集长大倾向很小,而且相本身也具有一定的塑性,所以是理想的沉淀强化相。相关文献指出,镍合金的使用温度随Al,Ti含量的增大而升高。2 Ni高温合金的热处理方式相强化的镍基变形合金的热处理是获得优良力学性能的必要手段。其热处理一般来说分为两

6、种:一种是加工过程中为软化合金而进行退火处理;另外一种是为获得一定性能而进行的固溶时效处理。固溶处理是将合金元素充分的融入基体中,固溶温度过高,合金元素溶解会很充分,但通常会使晶粒粗大;固溶温度太低,合金元素溶解不够充分,影响固溶效果。一般镍基高温合金固溶处理温度在1040-1230。时效时效是淬火后的铝合金在随后的低温保温一段时间后,第二相在过饱和的固溶体中析出,使得强度、硬度等性质发生变化的过程。镍基高温合金时效处理温度通常在700-1000。时效温度取决于强化相的数量和成分。为了获得在一定时间内达到所需的最好强化效果和塑性,常常采用二次固溶和二次时效,得到不同尺寸的相及其合理分布。赵雪会

7、等人对热处理温度及析出相对镍基合金腐蚀性能的影响进行研究,发现析出相的类型与数量明显受处理温度的影响,析出相大量在晶界产生,几乎呈网状结构;拉伸形貌表明有析出相的断口属于沿晶脆性断裂。3 Ni基高温合金抗氧化腐蚀机理Ni在高温空气中会生成一种稳定的氧化物NiO,它具有P型半导体的晶体结构,但其缺陷密度、熔点、晶格参数均小于FeO。NiO的最大优点是与镍金属具有相近的热膨胀系数,而且NiO塑性好,即使在热震环境下NiO都与基体保持良好的结合。在Ni-Cr合金中,当Cr元素加入到镍基体中,Cr与O生成的Cr2O3与NiO一起综合发挥作用。研究表明,当镍含量到达20wt%时,合金的抗氧化温度可达到1

8、100。值得注意的是,Mo、W氧化生成的Mo2O3、WO3将会破坏氧化膜的连续性,使其抗氧化性能下降。镍基合金是高温合金中应用最广、高温强度最高的一类合金。其主要原因如下:1镍基合金中可以熔解较多合金元素,且能保持较好的组织稳定性;2可以形成共格有序的A3B型金属间化合物Ni3(Al,Ti相作为强化相使合金得到有效的强化,获得比铁基高温合金和钴基高温合金更高的高温强度;3含铬的镍基合金具有比铁基高温合金更好的抗氧化和抗腐蚀能力。镍基合金含有十多种元素,其中Cr主要起抗氧化和抗腐蚀作用。4 Ni基高温合金耐蚀性研究现状高温合金是航空发动机的关键材料,而镍基及镍铁基高温合金是目前高温合金结构材料的

9、重要组成部分,镍基高温合金由于具有优异的耐热性及耐腐蚀性,被称之为“航空发动机的心脏”,具有组织稳定、工作温度高、合金化能力强等特点,目前已成为航空航天、军工、舰艇燃气机、火箭发动机所必须的重要金属材料,同时在高温化学、原子能工业及地面涡轮等领域得到了广泛的应用。据统计,在国外一些先进的飞机发动机中,高温合金的用量已达发动机重量55%60%。从高温合金的发展史来看,高温合金经历了变形高温合金、普通铸造高温合金、定向凝固高温合金、单晶高温合金4个阶段。其中镍基单晶高温合金作为目前制造先进航空发动机和燃汽轮机叶片的主要材料,世界各国都十分重视对镍基单晶高温合金的研制与开发应用。国内许多学者对单晶蠕

10、变性能做了许多研究,于莉丽等人通过蠕变曲线的测定及微观组织观察, 研究了【110】取向镍基单晶合金的组织结构与蠕变行为。结果表明,经完全热处理后,合金中立方相沿【110】取向规则排列;蠕变期间合金中形成筏状相的取向与应力轴方向成45°角,蠕变后期在近断口区域筏状相发生扭折。在1040、137MPa条件下,合金在稳态蠕变期间具有较高的应变速率和较短的蠕变寿命,而蠕变期间的变形特征是位错在基体通道中滑移和剪切筏状相;其中相形成筏状结构后, 沿与应力轴成45角的基体通道承受最大剪切应力, 使蠕变位错易于在基体通道中滑移,是使合金具有较大应变速率的主要原因。在上个世纪八十年代,激光技术兴起,

11、激光具有加热集中、热输入量低、热影响区窄、焊后变形小、适于焊接难熔及热敏感性强的金属等一系列优点,激光加工技术也别工程师们应用于镍合金上。熊建钢等人研究了镍基高温合金GH140的激光焊接,获得深宽比较大、组织细密、热影响区非常窄的焊缝,并且分析了主要工艺参数对焊缝形状的影响及接头的显微组织特征和显微硬度变化,在焊缝及热影响区中没有发现裂纹等焊接缺陷。孙鸿卿等人对定向凝固镍基高温合金上激光熔覆Inconel738的裂纹敏感性问题进行了系统的研究,试验后采用光学显微镜和扫描电镜进行显微组织的观察,利用能谱仪分析熔覆层的成分,利用X射线衍射仪进行物相分析,发现在定向凝固镍基高温合金基体上进行Inco

12、nel738的激光熔覆的裂纹敏感性非常高,而且裂纹主要为在熔覆层与定向凝固基体交界处引发并生长的热裂纹,以及在多层熔覆过程中熔覆层内部产生的热裂纹。在高温劣质环境下,镍合金的抗氧化、抗腐蚀等性能的研究,在国内外进行地如火如荼。国内许多型号的镍合金,如K3、K17的高温氧化性能还不错,但是在其他更为恶劣的条件,就差强人意了。黄亚平等人对3YC53 合金在高温氯硫介质的腐蚀进行研究,结果发现,该合金具有优良的杭氧化性和耐性性以及良好的力学性能。溶质元素Al 和Y使该合金形成致密的、附着力强的氧化物保护膜,是显著提高合金耐性的重要因素。用该合金制成热偶保护管在氯硫介质的高温工业烧结炉中使用,其寿命远

13、远超过同类镍基合金GH3030,GH3039。赵雪会等人研究了镍基合金材料在高温高压腐蚀环境下的腐蚀性能,试验表明,G3的耐蚀性优于Incoloy825,材料的耐蚀性与合金元素含量以及致钝性有很大的关系。腐蚀产物膜微观形貌显示有两层,主要由S、Cr、Ni、Fe、O、C等元素组成。表明腐蚀产物主要由硫化物和Cr、Ni的氧合物组成.随着环境介质温度的升高,材料腐蚀程度加剧。吕家欣等人研究了镍基合金FGH95在熔融中的腐蚀行为,结果发现, FGH95合金在650具有较好的抗热腐蚀性在700和750下,抗热腐蚀能力下降,腐蚀严重热腐蚀层主要由NiO/Ni2S3、Cr2O3组成在700 下,腐蚀层出现N

14、iCr2O4,在 750下腐蚀层出现NaCl。5总结目前国内镍基耐蚀合金的发展远不能满足市场需要,与发达国家相比尚存在较大差距,可能在较长时间内仍处于追赶阶段。建议从以下几个方面加强相关工作,才能不断缩小差距,促使我国早日成为镍基合金研发与生产强国,为国民经济的可持续发展提供更加坚实的支撑作用。(1镍基合金由于合金含量较高,高温强度高、塑性差,变形温区窄,在热加工过程中容易开裂报废,导致很多镍基合金产品特别是无缝钢管只能依靠进口。从微合金化出发,加强关键工艺技术的攻关,严控有害杂质元素含量、精控微量有益元素的水平,提高微观组织的纯净化和均质化是有效改善镍基合金热加工性能的重要途径。(2加强合金

15、基础理论研究,比如新合金设计的理论和方法,合金元素、第二相对耐腐蚀性能特别是应力腐蚀、腐蚀疲劳等性能的影响机理和关系规律等。(3加强陶瓷复合材料的研究,寻找与Ni基体热物性差别不大的陶瓷材料,从而更好地提高高温合金的耐热性、抗氧化腐蚀能力。参考文献1.孙秋霞主编.材料腐蚀与防护【M】.冶金工业出版社.2001年3月2.杨瑞成等.Ni-Cr-Mo-Cu合金介质腐蚀和电化学腐蚀的性能【J】.兰州理工大学学报.2009年8月;3.魏刚,白阿香,乔宁.镍基合金电加热管腐蚀与防护【J】.腐蚀与防护 .2012年1月;4.赵雪会等.镍基合金在含H2S/CO2 环境下的电化学腐蚀行为研究【J】.腐蚀科学与防护技术.2009年11月;5.赵雪会等.热处理温度及析出相对镍基合金腐蚀性能的影响【J】.材料热处理学报.2012年8月;6.黄国平等.新型耐高温氯硫介质腐蚀3YC53合金研究【J】.功能材料增刊1998年10月;7.李亚江等.国内镍基高温合金的焊接研究现状【J】.现代焊接 2010年第7期;8.中国腐蚀与防护学会主编朱日彰等编著.耐热钢和高温