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现代先进高温材料的发展越来越趋向于使用三元或多元合金以获得满足服役工况所需良好的机械性能和抗氧化性能。事实上,通常需向合金中添加活泼组元Cr、Al或Si使合金表面形成稳定、慢速增长且具有保护性的Cr2O3、Al2O3或SiO2氧化物膜以提高合金的抗高温腐蚀能力。前面研究表明二元双相Cu-Cr合中添加第三组元Ni形成三元Cu-Ni-Cr合金系后,20at.[%]Cr可使单相合金表面形成连续的Cr2O3外氧化物膜,双相合金内部形成连续的Cr2O3 内氧化物层,而三相合金表面或内部均未能形成连续的Cr2O3氧化物膜。本文尝试向Cu-Ni-Cr合金系中添加第四组元Si和Al,形成Cu-20Ni-20Cr-4Si、Cu-20Ni-15Cr-2.5Al和Cu-40Ni-12Cr-2.5Al合金并研究它们的高温氧化行为。目的在于通过添加第四组元方法,降低多元复相合金表面形成活泼组元选择性外氧化膜所需临界浓度,使之在高温腐蚀条件下其表面能形成保护性外氧化膜;增加多元复相合金在含较低活泼组元浓度条件下生成保护性外氧化膜的可能性。这些研究对于丰富多元合金高温腐蚀理论,为发展新型耐高温腐蚀材料提供理论依据等都具有重要意义。
Cu-20Ni-20Cr-4Si合金由三相组成,其中合金基体主要由富Cu的a相组成,中等含Cr量的β相以孤立岛状物的形式存在,而富Cr的γ相则以孤立小颗粒的形式存在,有些镶嵌在β相中,有些则分散在α相中;Cu-20Ni-15Cr-2.5Al合金由二相组成,其中合金基体主要由富Cu的α相组成,富Cr的β相则以较大的颗粒形式存在;而Cu-40Ni-12Cr-2.5Al合金也由二相组成,其中合金基体主要由富Cr的β相组成,富Cu的α相则以网状形式分散在β相中。目前研究的三种合金的氧化动力学均偏离抛物线规律,不是由单一抛物线段而是由多抛物线段组成。在700-800 ℃时,三种合金的氧化增重均低于前面研究相应的Cu-20Ni-20Cr和Cu-40Ni-20Cr合金。
Cu-20Ni-20Cr-4Si、Cu-20Ni-15Cr-2.5Al和Cu-40Ni-12Cr-2.5Al合金表面形成的氧化膜外层主要是不连续Cu的氧化物层,紧接着是Cu、Ni和Cr的混合氧化物层,而在合金内部形成了连续有保护性的Cr2O3氧化物膜,其中部分与合金直接接触,部分沿β相伸向合金内部,它阻止了合金的进一步的氧化。可见,向Cu-20Ni-20Cr合金中加入第四组元Si 或Al 后,加速了活泼组元Cr由合金内部向合金/氧化膜界面的扩散,降低了合金表面形成选择性外氧化所需的临界浓度,促使合金能在较低Cr含量下形成连续的Cr2O3氧化物膜。