Fe-Cr-Ni基合金的高温氧化行为研究

摘要

电站锅炉制造正向大容量、高参数的方向发展，对所需的钢管品种也不断地提出新的要求。火电/核电机组用管材大多服役在高温、高压水蒸气或高温烟气的条件下，其所用材料应具有高的热强性、抗高温腐蚀和氧化能力。迄今为止，我国电站锅炉用管的材料大部分仍依靠进口，主要有日本的住友、法国的V&M、德国的本特勒及美国的普利茅斯等，因此国内需加大力度开展先进电力装备用关键管材的研制，以填补国内空白。国外优异的传热管管材大多是以Fe-Cr-Ni基合金为主制造的，本科研小组以800H合金为基础，从元素在合金中的作用作为切入点进行优化设计，制备出数种Fe-Cr-Ni基合金，并深入研究它们的高温性能，为进一步优化工艺以制备出更优良的合金给出实验依据。本文主要讨论其中三种合金，分别是800H合金、HDG-A合金和HDG-B合金。
　　 本文分别在700℃、800℃和900℃下对三种合金进行100h的氧化，通过氧化称重法(使用电子分析天平，精确到0.1mg)建立了氧化增重与温度和时间的关系，发现三种合金的氧化动力学曲线在各温度下均遵循抛物线规律。700℃氧化后，800H增重量为0.040mg/cm2、HDG-A为0.07mg/cm2、HDG-B为0.032mg/cm2，其中HDG-A合金的增重量最大，说明其氧化速度最快。800℃及900℃氧化时，800H合金的增重量为0.211mg/cm2和0.692mg/cm2、HDG-A为0.1mg/cm2和0.45mg/cm2、HDG-B合金为0.047mg/cm2和0.332mg/cm2，800H的增重量最大，它的氧化动力学曲线是三种合金中开口最大的，说明其氧化速率相对较大。三种温度下，HDG-B合金氧化的增重量都是最小的，说明其氧化速率最小。
　　 为进一步揭示三种合金氧化性存在差异的原因，对氧化后表面的氧化膜用XRD、SEM以及EDS进行了分析。结果表明:800H合金在700℃氧化后表面主要是由(Cr0.6Fe0.4)2O3、NiCr2O4和CrMn2O4等尖晶石状颗粒组成的氧化膜。温度升高，尖晶石颗粒变大，在900℃时氧化膜表面出现瘤状突起，并且局部有氧化膜脱落现象。氧化膜由Cr1.3Fe0.7O3、(Fe2.5Ti0.5)1.04O4和Mn3O4等组成。HDG-A合金氧化膜由两层组成，下层是由颗粒细小致密的Mn1.5Cr1.5O4和Fe(Ni)Cr2O4尖晶石型氧化物组成，上层由稀散分布的、尺寸不均匀的大颗粒Cr2O3组成，900℃时氧化物表面出现不均匀分布的含TiO2的瘤状突起;HDG-B合金800℃氧化时，氧化膜由排列紧密的孪晶颗粒构成，颗粒表面不连续的分布着无定形的Fe2O3和NiCr2O4，900℃氧化后试样表面主要由均匀分布的Fe(Cr，Al)2O4块状氧化物颗粒组成。Fe(Cr，Al)2O4是三种合金的氧化产物中稳定性最好的，产生这种氧化物是因为在合金中添加了少量的Al元素，Al元素能极大改善合金的高温抗氧化性能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景

1．1．1 火电／核电机组蒸汽发生器用管

1．1．2 超超临界技术的发展

1．1．3 几种电站锅炉管用奥氏体不锈钢

1．2 金属材料的氧化理论

1．2．1 合金元素的作用

1．2．2 氧化膜的完整性

1．2．3 金属氧化的动力学和热力学理论

1．2．4 高温氧化测试及研究方法

1．3 研究目的及内容

1．3．1 研究目的

1．3．2 研究内容

第二章 实验材料和试验方法

2．1 实验材料

2．2 试验方法

2．2．1 高温氧化实验

2．2．2 试验步骤

第三章 Fe-Cr-Ni基合金高温氧化动力学研究

3．1 Fe-Cr-Ni基合金在700℃氧化的动力学曲线分析

3．2 Fe-Cr-Ni基合金在800℃氧化的动力学曲线分析

3．3 Fe-Cr-Ni基合金在900℃氧化的动力学曲线分析

3．4 本章小结

第四章 Fe-Cr-Ni基合金的氧化膜物相及截面分析

4．1 800H合金氧化膜的物相及截面分析

4．1．1 800H合金氧化膜的XRD物相分析

4．1．2 800H合金氧化膜的横截面SEM和元素分布

4．2 HDG-A合金氧化膜的物相及截面分析

4．2．1 HDG-A合金氧化膜的XRD物相分析

4．2．2 HDG-A合金氧化膜的横截面SEM和元素分布

4．3 HDG-B合金氧化膜的物相及截面分析

4．3．1 HDG-B合金氧化膜的XRD物相分析

4．3．2 HDG-B合金氧化膜的横截面SEM和元素分布

4．4 本章小结

第五章 Fe-Cr-Ni基合金的氧化膜表面形貌分析

5．1 800H合金氧化膜形貌分析

5．2 HDG-A合金氧化膜形貌分析

5．3 HDG-B合金氧化膜形貌分析

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

硕士期间发表论文