K452合金及其Al-Si渗层抗高温氧化和热腐蚀性能研究

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燃气轮机的零件常因表面的高温腐蚀而失效,而使用温度的不断提高也对其热端部件材料提出了越来越高的要求。目前的高温合金材料不能完全满足其使用性能要求,因此现在工业生产中常在合金表面制备防护层以提高材料的抗高温氧化和热腐蚀性能。铝化物渗层是较为理想的防护层,但仍有一些不足,添加硅形成二元铝硅渗层可以明显的改善渗层的性能。本文通过料浆法在K452高温合金表面制备Al-Si渗层,并进行1000℃×500h的高温氧化试验和900℃×150h的热腐蚀试验。利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、能谱仪(EDS)对渗层的微观结构、表面形貌、腐蚀产物的物相构成及其合金表面渗Al-Si渗层的高温腐蚀机理进行了分析研究。用料浆法在K452高温合金表面渗铝硅,基体中的镍和表面的铝互扩散形成渗层,渗层厚度约210μm,大概可以分为三层,外层有Ni-Si相和β-NiAl相,外层接近表面的部分弥散分布着难熔合金的化合物,以及Ni与Si的化合物和Cr与Si的化合物。内层主要为γ′相,内层和过渡层都为富Cr层,形成Cr23C6. Si的加入增加了渗层的厚度。K452高温合金和Al-Si渗层在1000℃×500h的氧化动力学曲线,基本遵从抛物线规律,有渗层的合金比没有渗层的合金高温氧化性能优越很多。K452高温合金氧化初期主要形成含有TiO2的Cr2O3和Al2O3的氧化层,随着氧化的进行,氧化膜脱落,Al和Cr发生贫化,最终无法达到生成氧化膜所需的浓度,氧化膜的保护性失效。 K452渗Al-Si涂层在氧化初期形成不稳定的Al2O3,之后逐渐向稳定的α-Al2O3转变,不稳定的θ-Al2O3减少,形成连续的保护性氧化膜。高温氧化后期,内层的Cr向表层扩散,氧化机制变化,形成保护性的Cr2O3层,说明有Al-Si渗层的合金抗高温氧化性能优良。K452高温合金在Na2SO4+NaCl的混合盐中生成Cr2O3、Al2O3和TiO2,Na2SO4中还原出的S扩散到基体发生硫化-氧化反应,而酸性熔融和挥发物质的生成使单位面积腐蚀增重遵循复杂的规律。Al-Si渗层腐蚀产物主要是SiO2和Al2O3,并未发生酸性熔融硫化-氧化过程,渗层的存在大大增强了合金的抗热腐蚀性能。
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