CN115558881A - 一种提高M-Cr-Al基合金高温抗氧化性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种提高M‑Cr‑Al基合金高温抗氧化性能的方法，包括：在水蒸汽条件下，将M‑Cr‑Al基合金进行预氧化用于在合金表面形成稳态致密的α‑Al2O3膜。本发明将M‑Cr‑Al基合金于水蒸汽条件下进行预氧化处理，水蒸汽本身可通过改变Al2O3的界面能进而增大Al2O3晶格中缺陷的浓度，加速Al2O3中Al3+的扩散速率，促使稳态α‑Al2O3的形成，氧化膜在后续的更高温度服役的过程中长期稳定，可有效阻碍合金进一步发生氧化，从而降低合金的氧化速率，提高了合金的高温抗氧化性能，解决了现有技术中合金预氧化处理提高其高温抗氧化性能效果不佳的缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及金属腐蚀防护的技术领域，具体涉及一种提高M-Cr-Al基合金高温抗氧化性能的方法。
背景技术
由于具有优异的高温强度、疲劳性能，以铁、钴、镍为基的γ′相析出强化型高温合金能够长期在600℃以上的高温环境中工作。然而，在高温条件下服役时，它们往往还承受空气、水蒸汽等氧化性介质的侵蚀。研究表明，M-Cr-Al基合金(M＝Ni、Fe、Co)在高温空气或空气与水蒸汽的混合气氛中服役时易形成富Ni、Fe或Co的氧化物，氧化速率较快，缩短其高温下的服役寿命。
众所周知，合金在高温环境中服役时，往往依赖于其表面形成一层生长缓慢、致密、完整性好的氧化膜来提供防护，这种氧化膜一般指Cr2O3、α-Al2O3膜。为了使M-Cr-Al基合金表面形成连续完整的Cr2O3膜或α-Al2O3膜，人们主要采取施加表面涂层和优化合金成分两条途径。前者是通过粉末包埋渗铝、热浸渗铝、电解镀铬等方法在合金表面制备富Al或富Cr的涂层。然而，涂层制备工艺复杂且通常会污染环境，在高温服役过程中涂层还与基体之间发生元素互扩散，从而损害合金基体的力学性能。而优化合金成分则从根本上改变合金的化学组成，在提高耐蚀元素Cr、Al含量的同时必须兼顾其带来的不良影响，考虑增加或删减某些合金元素以平衡该不良影响，是一条成本极高的改善合金高温抗氧化性能的路径。如何在不损害M-Cr-Al基合金力学性能的前提下使其获得具有保护性的氧化膜从而获得优异的高温抗氧化性能，仍是本领域的技术难题。
近年来，预氧化技术由于成本低廉和操作简单而备受关注，但是在M-Cr-Al基合金的应用中，预氧化技术对改其高温抗氧化性能的善效果较弱。这是因为预氧化处理通常是在低氧压的干燥气氛中进行，为了防止M-Cr-Al基合金的力学性能降低，预氧化处理的温度往往不高于900℃，得到的预氧化膜通常由亚稳态的Al2O3(如θ-Al2O3)构成。而M-Cr-Al基合金在高于900℃条件下服役时，亚稳态的Al2O3将向稳态的α-Al2O3转变，由此引起的体积收缩导致Al2O3膜开裂，失去防护效用；M-Cr-Al基合金在低于900℃条件下服役时，亚稳态的Al2O3生长速率较快，合金基体的Al元素将源源不断扩散到基体表面以维持Al2O3的生长，导致基体中Al元素的含量降低，无法维持Al2O3的长期稳定生长，实际防护效果并不理想，且合金基体的Al元素含量不足，会减少基体中γ′相的体积分数，削弱合金的力学性能，影响其使用。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中M-Cr-Al基合金预氧化处理提高其高温抗氧化性能效果不佳的缺陷。
为此，本发明提供一种提高M-Cr-Al基合金高温抗氧化性能的方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
一种提高M-Cr-Al基合金高温抗氧化性能的方法，包括：
在水蒸汽条件下，将M-Cr-Al基合金进行预氧化用于在合金表面形成稳态致密的α-Al2O3膜。
进一步地，所述预氧化的加热温度为600-750℃。
进一步地，所述预氧化的处理时间为0.5-24h。
进一步地，在预氧化之前，还包括用于使M-Cr-Al基合金表面平整、清洁的预处理步骤。
进一步地，所述预处理步骤包括吹砂处理和/或打磨处理和/或清洗处理。
进一步地，所述M-Cr-Al基合金为γ′相强化型的M-Cr-Al基合金。
进一步地，所述M-Cr-Al基合金中的M为Fe和/或Co和/或Ni。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的一种提高M-Cr-Al基合金高温抗氧化性能的方法，将M-Cr-Al基合金于水蒸汽条件下进行预氧化处理，水蒸汽本身可通过改变Al2O3的界面能进而增大Al2O3晶格中缺陷的浓度，加速Al2O3中Al3+的扩散速率，促使稳态α-Al2O3的形成，氧化膜在后续的更高温度服役的过程中长期稳定，可有效阻碍合金进一步发生氧化，从而降低合金的氧化速率，提高了合金的高温抗氧化性能，解决了现有技术中合金预氧化处理提高其高温抗氧化性能效果不佳的缺陷。
2.本发明提供的一种提高M-Cr-Al基合金高温抗氧化性能的方法，该方法获得的预氧化膜由稳态的α-Al2O3构成，致密完整，在氧化性介质中长期稳定，不会发生物相结构的转变；预氧化膜α-Al2O3可有效阻碍氧化性介质向基体侵蚀，保护合金基体不被进一步氧化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1和实施例2未预氧化处理合金和经预氧化处理后的合金以及对比例经预氧化处理后的合金在800℃空气中的氧化动力学曲线；
图2为本发明实施例1未预氧化处理的M-Cr-Al基合金在800℃空气中氧化100h后的截面形貌图；
图3为本发明实施例1经预氧化处理的M-Cr-Al基合金在800℃空气中氧化100h后的截面形貌图；
图4为本发明实施例2未预氧化处理的M-Cr-Al基合金在800℃空气中氧化100h后的截面形貌图；
图5为本发明实施例2经预氧化处理的M-Cr-Al基合金在800℃空气中氧化100h后的截面形貌图；
图6为本发明对比例经预氧化处理的M-Cr-Al基合金在800℃空气中氧化100h后的截面形貌图。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。
实施例中所用的M-Cr-Al基合金的成本见表1：
表1
| 元素(wt％) | Cr | Co | W | Al | Ti | Nb | Fe | Cu | C | B | Ni |
| 组成1 | 25 | 15 | 5 | 1.5 | 2.5 | 0.5 | 0.5 | / | 0.07 | / | 余量 |
| 组成2 | 17 | 20 | 9 | 4 | 1 | 1.5 | / | / | 0.04 | / | 余量 |
| 组成3 | 18 | / | / | 6 | 0.05 | / | 余量 | 0.8 | 0.06 | 0.003 | 8 |
| 组成4 | 20 | / | / | 5 | 0.1 | / | 余量 | 0.3 | 0.05 | 0.003 | 9 |
实施例1
本实施例提供一种提高M-Cr-Al基合金高温抗氧化性能的方法，包括如下步骤：
切片：取成分见表1的组成1的合金，利用线切割加工成尺寸为10mm×10mm×2mm的氧化试片；
预处理：用1200#SiC砂纸打磨试片，将打磨后的试片用丙酮清洗并于室温下干燥；
预氧化：在水蒸汽条件下，将预处理后的试片加热至650℃后保温2h。
实施例2
本实施例提供一种提高M-Cr-Al基合金高温抗氧化性能的方法，包括如下步骤：
切片：取成分见表1的组成2的合金，利用线切割加工成尺寸为10mm×10mm×2mm的氧化试片；
预处理：用1200#SiC砂纸打磨试片，将打磨后的试片用丙酮清洗并于室温下干燥；
预氧化：在水蒸汽条件下，将预处理后的试片加热至650℃后保温2h。
实施例3
本实施例提供一种提高M-Cr-Al基合金高温抗氧化性能的方法，包括如下步骤：
切片：取成分见表1的组成3的合金，利用线切割加工成尺寸为10mm×10mm×2mm的氧化试片；
预处理：用1200#SiC砂纸打磨试片，将打磨后的试片用丙酮清洗并于室温下干燥；
预氧化：在水蒸汽条件下，将预处理后的试片加热至600℃后保温24h。
实施例4
本实施例提供一种提高M-Cr-Al基合金高温抗氧化性能的方法，包括如下步骤：
切片：取成分见表1的组成4的合金，利用线切割加工成尺寸为10mm×10mm×2mm的氧化试片；
预处理：用1200#SiC砂纸打磨试片，将打磨后的试片用丙酮清洗并于室温下干燥；
预氧化：在水蒸汽条件下，将预处理后的试片加热至750℃后保温0.5h。
对比例
本对比例提供一种在低氧压的干燥气氛中进行预处理的方法，包括如下步骤：
切片：取成分见表1的组成1的合金，利用线切割加工成尺寸为10mm×10mm×2mm的氧化试片；
预处理：用1200#SiC砂纸打磨试片，将打磨后的试片用丙酮清洗并于室温下干燥；
预氧化：在真空度为1.6×10-2Pa的真空热处理炉中，将预处理后的实施例1合金加热至650℃后保温2h。
试验例1
取实施例中未经预氧化处理的M-Cr-Al基合金以及分别按照实施例1、实施例2、对比例的方法预氧化处理后的M-Cr-Al基合金，在800℃的空气中氧化处理并依次在20h、50h、70h和100h时取样进行称重，然后绘制其氧化动力学曲线，氧化动力学曲线见图1。
参照图1可知，实施例1中未预氧化处理的M-Cr-Al基合金的平均氧化速率约为1.04×10-3mg/cm2h，按实施例1的方法预处理后的M-Cr-Al基合金的平均氧化速率约为5.74×10-4mg/cm2h，实施例1的预氧化处理的合金的氧化增重速率约为未预氧化处理的合金的55％，按对比例的方法预氧化处理后的M-Cr-Al基合金的平均氧化速率约为7.43×10-4mg/cm2h，按对比例的方法预氧化处理的合金的氧化增重速率约为按实施例1的方法预氧化处理的合金的1.29倍。实施例2中未预氧化处理的M-Cr-Al基合金的平均氧化速率约为8.34×10-4mg/cm2h，按实施例2的方法预处理后的M-Cr-Al基合金的平均氧化速率约为7.33×10- 4mg/cm2h，实施例2的预氧化处理的合金的氧化增重速率约为未预氧化处理的合金的87.8％。由以上数据可见，经预氧化处理的合金的氧化增重速率大幅度降低，按照本发明的方法与氧化处理后的合金的氧化增重速率相比传统的低氧压干燥预氧化处理的合金的氧化增重速率也大幅度降低，合金的抗氧化性能得到明显提高。
试验例2
取实施例中未经预氧化处理的M-Cr-Al基合金以及分别按照实施例1、实施例2、对比例的方法预氧化处理后的M-Cr-Al基合金，在800℃的空气中氧化处理100h，然后分别使用扫描电子显微镜拍摄其氧化100h后的截面形貌图，形貌图见图2-6。
参照图2-6可知，经预氧化处理的合金表面的氧化膜厚度显著小于未预氧化合金，且经预氧化处理的合金表面的氧化膜为连续致密的α-Al2O3膜。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (7)
1.一种提高M-Cr-Al基合金高温抗氧化性能的方法，其特征在于，包括：
在水蒸汽条件下，将M-Cr-Al基合金进行预氧化用于在合金表面形成稳态致密的α-Al2O3膜。
2.根据权利要求1所述的一种提高M-Cr-Al基合金高温抗氧化性能的方法，其特征在于，所述预氧化的加热温度为600-750℃。
3.根据权利要求1或2所述的一种提高M-Cr-Al基合金高温抗氧化性能的方法，其特征在于，所述预氧化的处理时间为0.5-24h。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种提高M-Cr-Al基合金高温抗氧化性能的方法，其特征在于，在预氧化之前，还包括用于使M-Cr-Al基合金表面平整、清洁的预处理步骤。
5.根据权利要求4所述的一种提高M-Cr-Al基合金高温抗氧化性能的方法，其特征在于，所述预处理步骤包括吹砂处理和/或打磨处理和/或清洗处理。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种提高M-Cr-Al基合金高温抗氧化性能的方法，其特征在于，所述M-Cr-Al基合金为γ′相强化型的M-Cr-Al基合金。
7.根据权利要求6所述的一种提高M-Cr-Al基合金高温抗氧化性能的方法，其特征在于，所述M-Cr-Al基合金中的M为Fe和/或Co和/或Ni。
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