CN109136825B - 一种利用预氧化提高Co-Al-W系高温合金抗热腐蚀性能的方法 - Google Patents

一种利用预氧化提高Co-Al-W系高温合金抗热腐蚀性能的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用预氧化提高Co‑Al‑W系高温合金抗热腐蚀性能的方法，在大气条件下，将钴基高温合金加热至950℃氧化处理50‑100h，获得2‑10μm的预氧化层，其中Al2O3层厚度为0.5‑2μm。该发明工艺简单、节省能源。与未预氧化合金相比，预氧化层在腐蚀介质中结构稳定，可有效阻碍腐蚀介质进入合金基体，进而显著降低合金腐蚀增重，降低幅度可超过80％，抗热腐蚀性能显著增强。

Description

一种利用预氧化提高Co-Al-W系高温合金抗热腐蚀性能的 方法
技术领域
本发明涉及一种金属腐蚀防护技术领域，主要为增强Co-Al-W系高温合金抗热腐蚀能力的方法。
背景技术
2006年，Sato等在Co基合金中发现了Co3(Al,W)-γ′相。与传统钴基高温合金不同，γ′相的发现意味着合金强化方式的转变，该强化方式与镍基高温合金相似，可大幅度提高钴基合金的高温强度。因此，γ′相强化型钴基高温合金被称为新型钴基高温合金。
在高温条件下，γ′相强化型钴基高温合金的强度较高，已满足工业燃气轮机等热端部件的强度需求。高温合金服役时，高温合金往往承受燃油中的杂质、大气污染物等腐蚀介质的侵蚀。不仅如此，沿海环境中合金构件亦承受着高温、应力和腐蚀性融熔介质的综合作用。为此，合金除一般的高温力学性能外，还要求具有优异的抗热腐蚀能力。
近年研究表明Co-Ni-Al-W-Cr合金在75wt.％Na2SO4+25wt.％NaCl介质中的熔盐腐蚀行为。研究发现，该合金的腐蚀增重速率较大，腐蚀层厚度为0.4-1.0mm较厚，且易发生开裂脱落，腐蚀层保护作用失效，腐蚀严重。因此，有必要增强钴基高温合金的抗热腐蚀性能。
合金抗热腐蚀性可以通过合金化方法和表面改性改善。高温合金中除Cr、Al含量较高以外，多采用制备防护涂层保护基体免受腐蚀。然而，涂层制备成本较高且工艺复杂，涂层和基体互扩散区组织复杂，损害合金高温力学行为。近些年来，预氧化技术由于成本低廉和操作简单等特点而备受关注。但在Ni基高温合金的应用中，其改善效果较弱。通过大量实验表明，在75％Na2SO4+25％NaCl介质中，Ni基高温合金预氧化处理后仍存在腐蚀层脱落，或者腐蚀100h后腐蚀层中出现大量裂纹，无法长期保护合金基体；由于腐蚀介质可破坏氧化层结构，氧化层易被二次腐蚀，寻找在腐蚀介质中可稳定存在的预氧化层较难，使得预氧化技术在Co-Al-W系高温合金中应用受限，效果不佳，导致现有技术中普遍的研究方向仍为涂层领域。如何使Co-Al-W系高温合金经预氧化处理获得具有保护性的氧化层，使得合金获得优异的抗热腐蚀性能，仍然是本领域的技术难题。
发明内容
本发明旨在改善钴基高温合金的抗热腐蚀能力，提供一种成本低廉、工艺简单并且方便操作的方法。
本发明涉及一种利用预氧化提高Co-Al-W系高温合金抗热腐蚀性能的方法，包括如下步骤：
(1)合金表面预处理，达到合金表面平整和清洁；
(2)预氧化处理：在大气条件下，将Co-Al-W系高温合金加热至950℃氧化处理50-100h，获得2-10μm的预氧化层。
上述步骤(1)的预处理包括合金表面平整处理，去除凹坑，表面粗糙度低于Ra0.8，并清洗保证合金表面无尘无油。
上述步骤(1)、(2)中的应用对象为γ′相强化型的Co-Al-W系高温合金。
本发明所述预氧化处理改善Co-Al-W系高温合金抗热腐蚀能力的机理：由于Cr2O3层易被腐蚀介质二次腐蚀，使保护性腐蚀层直接暴露于腐蚀介质中，故预氧化层应避免形成Cr2O3外层。根据合金氧化特征，预氧化外层应为钴铬尖晶石型氧化物层，即在950℃氧化处理50-100h可获得。此外，950℃预氧化处理所获得的氧化层在腐蚀介质中长期稳定，未出现裂纹等缺陷，且连续Al2O3内层可有效阻碍合金发生进一步腐蚀。根据试验探究发现，本发明方法所获得的连续Al2O3层，其层厚为0.5-2μm，可有效阻碍腐蚀介质侵蚀合金基体。
在热腐蚀过程中，预氧化层中的Al2O3层稳定且有效阻止腐蚀介质侵蚀，进而保护合金基体。而未经预氧化处理合金，由于腐蚀介质进入基体速度较快，连续Al2O3层形成受阻，合金腐蚀层较厚，不利于合金的抗腐蚀行为。合金经预氧化处理后，腐蚀层增厚较小，腐蚀层较薄，且结构致密，不易脱落，能长期有效地抑制腐蚀介质进入基体，避免了合金进一步腐蚀，改善了合金的抗热腐蚀能力。
本发明的有益效果：与未预氧化合金相比，本发明中的预氧化层结构致密未出现裂纹，且在腐蚀介质中长期稳定，为发生腐蚀层氧化物转变；预氧化层中的Al2O3层可有效阻碍腐蚀介质向基体侵蚀，进一步保护了合金基体。预氧化处理后合金的腐蚀层厚度显著降低，其腐蚀层厚度约为未预氧化合金的40％；合金腐蚀增重显著降低，降低幅度可超过80％，抗热腐蚀性能显著增强。
附图说明
图1是本发明实施例1、2中经预氧化处理和未预氧化处理钴基高温合金的腐蚀动力学曲线(腐蚀介质75wt.％Na2SO4+25wt.％NaCl)。
图2是本发明实施例1中经预氧化处理钴基高温合金800℃腐蚀99h的腐蚀层截面形貌。
图3是本发明实施例1中未预氧化处理钴基高温合金800℃腐蚀99h的腐蚀层截面形貌。
图4是本发明实施例2中经预氧化处理钴基高温合金850℃腐蚀99h的腐蚀层截面形貌。
图5是本发明实施例2中未预氧化处理钴基高温合金850℃腐蚀99h的腐蚀层截面形貌。
具体实施方案
本发明实施采用一种钴基高温合金，其化学成分如表1所示。
表1为实施例合金的化学成分(按重量百分数计)
Figure BDA0001859225460000031
Figure BDA0001859225460000041
本发明实施采用的预氧化处理设备为箱式电阻炉。
下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步详细的描述。
实施例1
以表1成分所示的钴基高温合金为实施例材料，利用线切割机床、磨床等加工为10mm×10mm×3mm的热腐蚀试样。热腐蚀试样经1000#砂纸打磨后，利用酒精进行清洗，干燥后置入干净的刚玉坩埚内，并在箱式电阻炉中进行950℃预氧化72h。
对经预氧化处理合金和未预氧化合金进行800℃热腐蚀试验，腐蚀介质为75wt.％Na2SO4+25wt.％NaCl。其腐蚀动力学曲线如图1所示。可见，经预氧化处理合金的腐蚀增重大幅度降低。800℃腐蚀时，经预氧化处理合金平均腐蚀增重速率约为未预氧化合金的17％，合金抗腐蚀性能得到显著改善。图2和图3为预氧化处理合金和未预氧化合金800℃腐蚀99h的腐蚀层截面。可见，经预氧化处理合金的腐蚀层厚度显著小于未预氧化合金，且经预氧化处理合金的腐蚀层中存在连续的Al2O3层(图2中氧化层中深色衬度层)，保护了合金基体。
实施例2
与实施例1方法相同。对经预氧化处理合金和未预氧化合金进行850℃热腐蚀试验，腐蚀介质为75wt.％Na2SO4+25wt.％NaCl。其腐蚀动力学曲线如图1所示。850℃腐蚀时，经预氧化处理合金的腐蚀增重大幅度降低，其平均腐蚀增重速率约为未预氧化合金的14％，说明合金抗腐蚀性能得到显著改善。图4和图5为预氧化处理合金和未预氧化合金850℃腐蚀99h的腐蚀层截面。经预氧化处理合金的腐蚀层厚度显著小于未预氧化合金，且预氧化层经850℃腐蚀99h后结构致密，连续氧化层阻止O、S和Cl等腐蚀介质进入基体，合金抗腐蚀性能得到改善。

Claims (3)

1.一种利用预氧化提高Co-Al-W系高温合金抗热腐蚀性能的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)合金表面预处理，达到合金表面平整和清洁；
(2)预氧化处理：在大气条件下，将Co-Al-W系高温合金加热至950℃氧化处理50-100h，获得2-10μm的预氧化层；所述的预氧化层的外层为钴铬尖晶石型氧化物层，内层为Al2O3层；所述预氧化层中Al2O3层厚度为0.5-2μm。
2.根据权利要求1所述的利用预氧化提高Co-Al-W系高温合金抗热腐蚀性能的方法，所述步骤(1)的预处理包括合金表面平整处理，去除凹坑，表面粗糙度低于Ra 0.8，并清洗保证合金表面无尘无油。
3.根据权利要求1或2所述的利用预氧化提高Co-Al-W系高温合金抗热腐蚀性能的方法，其特征在于，所述步骤(1)、(2)中的应用对象为γ′相强化型的Co-Al-W系高温合金。
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