高熵合金AlxCoCrFeNi在超临界水中氧化行为的研究

摘要

电力行业是国民支柱性行业，随着超超临界发电机组蒸汽参数的日益提高，锅炉材料的运行环境愈发恶劣，人们对锅炉材料的高温机械性能和抗氧化性能提出了更高的要求。因此，不断开发具有优异的高温性能的材料是促进发电机组工作效率提高的关键。有报道指出，高熵合金在高温空气中具有良好的抗氧化性能。但是，目前还未见到与高熵合金在超临界水中氧化行为相关的报道。因此，本文对高熵合金AlxCoCrFeNi(x=0.15，0.4，0.6，0.8，分别命名为Al0.15，Al0.4，Al0.6，Al0.8)在600℃/25MPa超临界水中的氧化行为进行了研究。并探讨了氧化环境、合金元素的种类及含量和氧化膜的结构及成分对合金抗氧化性能的影响。
　　研究发现:在600℃/25MPa超临界水中氧化100～400h后，Alx(x=0.15，0.4，0.6，0.8)表面形成双层氧化膜。内层氧化膜由NiCr2O4、 CoCr2O4和Fe(Cr, Al)2O4组成，而外层氧化膜由Fe2O3、 Fe3O4、FeCr2O4和CoCr2O4组成。随着氧化时间的延长，Alx表面氧化物颗粒尺寸和氧化膜厚度均增加，外层氧化膜的致密性降低;随着合金Alx中Al含量的升高，其表面氧化物颗粒尺寸和氧化膜厚度减小，而内层氧化膜内的Al含量和外层氧化膜的致密性均升高。
　　合金的抗氧化性能与氧化环境有关。在600℃空气中氧化400h后，高熵合金Alx(x=0.15，0.4)表面形成双层氧化膜。内层氧化膜由NiCr2O4、 Fe(Cr, Al)2O4组成，而外层氧化膜由Fe2O3、Fe3O4和CoCr2O4组成。比较Alx(x=0.15，0.4)在两种氧化环境中的氧化行为发现:Alx在空气中的抗氧化性能明显大于其在超临界水中的抗氧化性能。
　　合金的抗氧化性能还与合金元素的种类及含量有关。在600℃/25MPa超临界水中氧化400h后，Super304H和P92表面分别形成了双层和三层氧化膜。Super304H的内层氧化膜和P92的内、中层氧化膜由Fe3O4和FeCr2O4组成，而Super304H和P92的外层氧化膜均由Fe2O3和Fe3O4组成。高熵合金Alx(x=0.15，0.4，0.6，0.8)、Super304H和P92在超临界水中的抗氧化性能排序为:Al0.8＞Al0.6＞Al0.4＞Al0.15＞Super304H＞P92。
　　最后，合金的抗氧化性能还依赖于其表面已形成的氧化膜的结构和成分。氧化膜厚度、完整性及氧化膜内富Al氧化物含量的增加均可以提高其对合金的保护性能，而氧化膜内孔洞数量的增加会降低氧化膜的保护性能。对于高熵合金Alx(x=0.15，0.4，0.6，0.8)在600℃/25MPa超临界水中形成的氧化膜而言，其氧化膜的保护性受到以上四种因素的共同影响，并且其表面氧化膜对合金的保护性主要来自于内层氧化膜。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 超临界发电机组用金属材料的发展概况

1．2 高熵合金的研究背景及四大效应

1．3 高熵合金的抗氧化性能

1．4 本文的研究内容及意义

2 试验方法

2．1 试验材料的制备

2．2 样品准备及氧化实验

2．3 性能测试

2．3．1 氧化物分析

2．3．2 电化学阻抗谱分析

3 AlxCoCrFeNi在超临界水中的腐蚀行为

3．1 AlxCoCrFeNi基体组织分析

3．1．1 AlxCoCrFeNi组织及成分分析

3．1．2 AlxCoCrFeNi的物相分析

3．2 表面氧化膜的形貌及成分分析

3．2．1 表面氧化膜形貌

3．2．1 表面氧化膜成分分析

3．3 氧化膜截面分析

3．3．1 氧化膜截面形貌

3．3．2 氧化膜截面的能谱分析

3．3．3 氧化膜厚度

3．4 氧化膜的物相分析

3．5 本章小结

4 分析与讨论

4．1 氧化环境对合金抗氧化性能的影响

4．2 合金元素含量及种类对合金抗氧化性能的影响

4．2．1 Al含量对高熵合金Alx抗氧化性能的影响

4．2．2 高熵合金与耐热钢的抗氧化性能比较

4．3 氧化膜完整性对合金抗氧化性能的影响

4．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢