Cr、Al对低膨胀Thermo-Span高温合金热腐蚀行为的影响

  低膨胀Thermo-Span高温合金主要用做现代发动机的薄壁静子结构部件,可减小发动机的间隙,降低重量,提高燃油效力。发动机在高温(650℃)及燃气腐蚀条件下的服役过程中受工业污染、海洋气氛以及燃料燃烧时产生的硫酸盐、卤化物等的热腐蚀,导致过早失效。改进型Thermo-Span合金通过降Cr提Al,并添加微量的B,具有良好的综合力学性能和较高水平的抗高温氧化性能。Cr和Al都是提高合金抗高温氧化和热腐蚀性能的重要元素,但高Cr含量使合金的热膨胀系数增大,而适当提高Al含量对热膨胀系数的影响较小。研究人员通过降Cr提Al并添加微量B,探讨改进型Thermo-Span合金650℃的腐蚀行为。

  用真空感应炉冶炼标准成分和改进型Thermo-Span合金,浇注成10kg合金锭。标准合金的成分(质量分数,%):Ni24.5,Co29,Nb4.8,Ti0.85,Si0.45,Cr5.5,Al0.45,B0.004,Fe余量。改进型合金保持标准合金其他元素含量不变,Cr含量由5.5%降低到3.0%,Al含量由0.45增加到1.5%,并加入了0.5%B。

  铸锭经1160℃×20h的均匀化处理后,采用相同的锻造工艺,控制相同的锻造条件,锻成截面为16×16mm的方料,并对锻棒进行标准热处理:1093℃×1h,空冷,720℃×8h,以55℃/h炉冷至620℃,620℃×8h,空冷。

  将腐蚀试样打磨平整光亮,丙酮清洗吹干。在实验过程中样品表面涂约2~5 mg/cm2、质量分数为75%的Na2SO4+25%NaCl混合盐,在650℃将刚玉坩埚烧成恒重,将涂盐后的试样置于坩埚中,称量总质量。在箱式电阻炉中进行650℃腐蚀实验,每间隔10h取出,使用万分之一精度天平称量,试样称三次取平均值,绘制腐蚀增重曲线。用扫描电镜观察和分析试样表面与剖面的形貌和成分。试验结果表明:

  (1)Thermo-Span合金降Cr提Al后在650℃热腐蚀增重小于标准合金的热腐蚀增重,在腐蚀初期(<10h)改进型合金腐蚀增重缓慢,而标准合金增重较快;10h时改进型合金比标准合金腐蚀增重低一个数量级。10h以后,改进型合金的腐蚀增重开始增加,在70~100h时改进型合金热腐蚀增重率只有标准合金的一半。
  (2)Thermo-Span合金在650℃腐蚀100h形成的腐蚀层,包括氧化外层、次外层和硫化物层三部分。外层富Fe、Co和O,形成Fe和Co的氧化物,还有少量的Cr的氧化物。标准合金形成较厚的内硫层,外层疏松。而改进型合金形成的硫化物靠近外层,数量明显减少,外层致密。
  (3)合金腐蚀后次表层形成密集的Al的氧化物层,Cr、Al的联合作用抑制了合金硫化物层的形成,阻止了氧的向内扩散和合金元素向外扩散,降低了合金的腐蚀速率,提高了合金的抗热腐蚀性能。