高温合金的热腐蚀
不同温度下DD6_单晶高温合金的燃气热腐蚀行为研究
装备环境工程第20卷第12期·20·EQUIPMENT ENVIRONMENTAL ENGINEERING2023年12月不同温度下DD6单晶高温合金的燃气热腐蚀行为研究杨丽媛,张骐,孙志华,刘明,赵明亮(北京航空材料研究院 航空材料先进腐蚀与防护航空科技重点实验室,北京 100095)摘要:目的研究DD6高温合金在650、800、950 ℃等3种典型温度的燃气热腐环境下的耐腐蚀性能。
方法采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)等测试方法,研究不同温度下DD6高温合金的热腐蚀行为。
结果与结论随着温度的升高,合金的腐蚀速率呈逐渐增加的趋势。
当温度为650、800 ℃时,合金的腐蚀速率较小;当温度为950 ℃时,表面腐蚀产物明显剥落,腐蚀程度明显增加。
在650 ℃下,DD6合金的腐蚀层较薄,主要为NiO、Al2O3等氧化物。
在800、950 ℃下,腐蚀层分为2层,外层由2部分构成,最外侧为一薄层NiO和Co3O4等的混合物,次外层为相对疏松的NiO,内层为Al2O3和Cr2O3构成的相对致密的腐蚀层。
腐蚀层下方的基体中,出现了γ'相退化区,并且出现了明显的内硫化现象,加剧了热腐蚀作用。
关键词:DD6;单晶高温合金;燃气热腐蚀;微观形貌;内硫化中图分类号:TG132.3 文献标识码:A 文章编号:1672-9242(2023)12-0020-06DOI:10.7643/ issn.1672-9242.2023.12.003Hot Gas Corrosion Behavior of Single Crystal Superalloy DD6 at Different Temperature YANG Li-yuan, ZHANG Qi, SUN Zhi-hua, LIU Ming, ZHAO Ming-liang(Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Advanced Corrosion and Protection for Aviation Material,AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China)ABSTRACT: The work aims to study the corrosion resistance of DD6 super alloy in three typical hot gas corrosion environ-ments at 650 ℃, 800 ℃ and 950 ℃. The corrosion behavior of DD6 super alloy was investigated by X-Ray Diffraction, scan-ning election microscopy and energy dispersive X-ray spectrum (EDS). The hot corrosion rate of alloy increased with the in-crease of temperature. The hot corrosion rates at 650 ℃ and 800 ℃ were relatively low. Significant spallation of corrosion products and obvious corrosion occurred at 950 ℃. The corrosion layer of DD6 alloy at 650 ℃ was relatively thin, mainly composed of oxides such as NiO and Al2O3. The corrosion products were divided into two layers at 800 ℃ and 950 ℃. The outer layer consisted of two parts, the outermost layer was a mixture of a thin layer of NiO and Co3O4, the secondary layer was loose NiO and the inner layer was a relatively dense corrosion layer composed of Al2O3 and Cr2O3. The phase γ' degradation zone appeared in the alloy below the corrosion layer, and there was obvious internal vulcanization phenomenon which acceler-ated the hot corrosion.KEY WORDS: DD6; single crystal super alloy; hot gas corrosion; microstructure; internal vulcanization收稿日期:2023-10-29;修订日期:2023-12-11Received:2023-10-29;Revised:2023-12-11引文格式:杨丽媛, 张骐, 孙志华, 等. 不同温度下DD6单晶高温合金的燃气热腐蚀行为研究[J]. 装备环境工程, 2023, 20(12): 20-25. YANG Li-yuan, ZHANG Qi, SUN Zhi-hua, et al. Hot Gas Corrosion Behavior of Single Crystal Superalloy DD6 at Different Temperature[J]. Equipment Environmental Engineering, 2023, 20(12): 20-25.第20卷第12期杨丽媛,等:不同温度下DD6单晶高温合金的燃气热腐蚀行为研究·21·DD6单晶高温合金具有优异的综合力学性能(拉伸、持久、蠕变)和良好的抗氧化性,目前已广泛应用于航空发动机和燃气轮机关键热端部件[1-8]。
高温合金的热腐蚀详解
NiO=Ni2++O2Al2O3=2Al3++3O2-
(氧离子活度低)
热腐蚀的影响因素
温度:随着温度的增加,热腐蚀速率加快。
盐膜成份:Na2SO4是盐膜的主要成分,但纯腐蚀性并不很强,往往因为其中 混有少量NaCl,腐蚀性才大大增强。
气体环境:O2是参与氧化的主要元素,SO2,SO3等杂质也参与反应过程, 它们存在数量的多少或分压的大小对热腐蚀过程有很大影响。
O
CrS
Cr含量17%wt合金热腐蚀60h的元素分布图 (a) BSE; ( b) Al; ( c) Co; ( d) Cr; ( e) Ni; ( f) O; ( g) S; ( h) Re; ( i) Ti
结论
Cr 合金中 w( Cr) 仅为 6% ,腐蚀 60 h后,外腐蚀层已经严重剥落,为 O 和 S 向基 体内迅速扩散提供方便。而 w( Cr) = 17% 的 合金腐蚀60 h 后,外腐蚀层仍然比 较致密,抗热腐蚀性能良好。这些足以表明 Cr 是非常重要的抗热腐蚀元素。 随着Cr 含量的增加,合金的抗腐蚀性能逐渐提高。但也发现合金的内腐蚀层深度存 在不太均匀的情况,这表明合金的热腐蚀进程不是均匀向前扩展的,因此,合金的 抗热腐蚀性能的好坏还与合金的组织均匀性有着密切关系。
Cr含量6%wt合金热腐蚀60h的元素分布图 (a) BSE; ( b) Al; ( c) Co; ( d) Cr; ( e) Ni; ( f) O; ( g) S; ( h) Re; ( i) Ti backscattered electron
Al
Cr
O
外腐蚀层有大量的 O 富集,而内腐
S
蚀层前沿富集了很多 S。表明外腐
表征方法
高温合金的特点
高温合金的特点
高温合金的特点
一、强度高
高温合金具有极高的强度,其最大的优势之一就是可以承受非常高的温度下的应力,能够确保在高温环境下获得良好的抗腐蚀性。
这种特性使高温合金成为极其适合用于高温环境下的工业生产的材料,在航空、航天等高技术产业中,也能应用到许多火炉、锅炉、发动机零件、汽车上等上。
二、耐腐蚀性强
高温合金具有优异的耐腐蚀性,可以抵御大多数腐蚀性介质,使其在各种腐蚀性情况下保持其原有特性。
由于其耐腐蚀性强,广泛应用于化工、冶金、石油等行业。
三、热容量大
高温合金具有良好的热容量,能够在热和冷的转变中极好的稳定性,而且即使是极低的温度也能够达到其原有的特性。
四、抗高温氧化性好
高温合金具有极佳的抗高温氧化性,能够在高温下抵抗氧化损伤,它可以显著提高器件的耐用性,这也是其备受欢迎的原因之一。
五、综合性能优良
在综合性能方面,高温合金同样表现不凡,无论是耐热性、耐腐蚀性、强度、热容量还是抗高温氧化性等,它们都表现出强劲的优势。
- 1 -。
热腐蚀过程氧与高温合金元素反应及其扩散 关键技术
热腐蚀过程氧与高温合金元素反应及其扩散关键技术全文共四篇示例,供读者参考第一篇示例:热腐蚀是指高温下金属材料与气体中的腐蚀物质发生反应,导致金属材料表面遭受腐蚀的一种现象。
热腐蚀引起了高温合金元素与氧气之间的反应及其扩散,对于高温合金材料的应用和性能有着重要的影响。
本文将对热腐蚀过程中氧与高温合金元素的反应及其扩散的关键技术进行探讨。
在高温环境下,金属材料容易与氧气发生氧化反应,形成氧化物。
高温合金材料中常用的元素如镍、钴、铬等,容易与氧气发生化学反应,形成氧化物,在高温下则容易发生热腐蚀。
热腐蚀主要是由氧化物的形成和扩散过程引起的。
氧与高温合金元素的反应及其扩散是研究热腐蚀行为和机制的重要内容。
氧化物的形成是热腐蚀过程中的第一步。
当金属表面暴露在氧气环境中时,金属表面的原子会与氧气中的氧原子结合形成氧化物。
氧化物主要包括氧化镍、氧化钴、氧化铬等。
氧化物的形成会导致金属表面的化学成分发生变化,使金属表面逐渐失去原有的性能,导致金属材料的腐蚀和损坏。
氧与高温合金元素的反应是热腐蚀过程中的关键环节。
高温合金材料中的元素与氧气发生反应的速率取决于反应的速率常数和反应的能垒。
在高温条件下,元素原子在金属表面迁移的活动性增加,促使元素与氧气更容易发生反应。
氧与高温合金元素反应生成氧化物的过程是一个复杂的物理化学过程,涉及到原子的迁移、电子的转移等多种机制。
氧与高温合金元素的扩散是导致热腐蚀的另一个重要因素。
氧化物在金属表面形成后,会向金属内部扩散,使得金属材料整体遭受腐蚀。
氧与高温合金元素的扩散速率取决于氧化物的溶解度、原子扩散速率等因素。
扩散过程中,氧化物颗粒会沿晶界、孔隙等通道向金属内部扩散,导致金属内部也受到腐蚀。
针对氧与高温合金元素的反应及其扩散过程,研究人员提出了一系列关键技术来控制和减缓热腐蚀的发生。
首先是合金设计技术,通过改变高温合金材料的成分和结构,提高其抗氧化性能和抗腐蚀性能,减少氧化物的形成和扩散。
热腐蚀
二、热腐蚀机制
M+S→MS
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
M+MS→M· MS(共晶)
式中,R表示某还原性的组分;M· MS为金属和金属硫化物共晶,如Ni· NiS。 (2) M· MS共晶被穿过盐膜的氧分子所氧化,而释放出硫化物。这些硫化物可再次 与金属基体的组元形成共晶,即 M· MS+O2 →MO+MS M+MS→M· MS(共晶) 上述各个过程的不断进行,便导致了金属的严重损耗。
二、热腐蚀机制
3.电化学模型
引起热腐蚀的表面熔融沉积盐是电解质,热腐蚀本质上是一个电化学过程,认为在 热腐蚀中存在阴阳极反应。
阳极为金属的溶解反应:
M → Mn++ ne
阴极为多种氧化剂的还原,如O2、 SO3或S2O72- 等
SO3+2e→SO2+O2-→SO32-
S2O72-+ e→SO42-+ SO3SO3- + e→S02+O2上述反应将显著影响熔盐层的酸碱度,为形成疏松氧化物提供必要条件。
一、热腐蚀及特征
热腐蚀通常表现出如下的特征:
在覆盖着熔融的硫酸盐或其他化合物薄层下进行的高温腐蚀
热腐蚀分为两个阶段:孕育期和加速腐蚀期。 由于熔盐的生成和存在有一定的温度界限,热腐蚀发生也有一定的温度区间。 在腐蚀形态上,热腐蚀的表面层为疏松多孔的、无附着力的氧化物和硫化物的混
合物,在合金的内部则往往存在着沿晶界分布的硫化物。
二、热腐蚀机制
4.低温热腐蚀
一般高温合金产生热腐蚀的温度范围大约为800 ~ 1 000℃,但是在燃气中有SO3 存在的条件下,由于SO3与构件表面上的金属氧化物反应生成硫酸盐与Na2SO4组成了 低熔点共晶体,这样,在硫酸钠熔点(884℃)以下,约为600~ 750℃温度区间,也能 导致严重的热腐蚀,此现象称为低温热腐蚀。
热处理工艺对高温合金材料的高温氧化和热腐蚀性能的改善
热处理工艺对高温合金材料的高温氧化和热腐蚀性能的改善热处理工艺是对材料进行加热、保温和冷却,以改善材料的性能。
对于高温合金材料来说,热处理工艺能够有效地改善其高温氧化和热腐蚀性能。
高温氧化是指在高温下,材料与氧气反应产生氧化物的过程。
在高温环境中,高温合金与氧气相接触时会出现氧化反应,导致材料表面形成氧化层,从而影响材料的性能。
由于氧化层的形成通常会导致材料的脆化和降低材料的机械性能,因此必须采取措施来改善高温合金的高温氧化性能。
首先,热处理工艺中的固溶处理能够使高温合金中的元素溶解均匀,减少了材料中的晶界和孿生相,提高了材料的均匀性和抗氧化能力。
其次,陶瓷涂层是提高高温合金材料耐高温氧化能力的重要方法。
通过涂覆陶瓷材料,可以在材料表面形成有效的隔离层,阻止氧气的渗透和反应,从而降低氧化速率。
磨料喷涂、等离子喷涂和物理气相沉积等技术可以实现陶瓷涂层的制备。
再次,一些特殊的热处理工艺可以产生致密的氧化层,从而提高材料的氧化抗性。
例如,渗碳处理可以在高温合金表面形成一层富碳的氧化层,减少氧气渗透和反应。
其中,高温碳氮渗透可通过改变高温合金表面的化学成分,提高高温合金的抗氧化能力。
热腐蚀是指在高温和腐蚀介质的共同作用下,材料表面发生的腐蚀现象。
高温合金材料通常会用于极端的高温和腐蚀环境中,例如航空发动机内的高温气流和废气处理厂中的高温腐蚀介质。
因此,提高高温合金的热腐蚀性能也是非常重要的。
热处理工艺对高温合金的热腐蚀性能的改善主要通过以下几个方面实现。
首先,热处理工艺能够调整高温合金的化学成分,增加合金中抗腐蚀元素的含量,如铬、钼等,从而提高材料的抗腐蚀能力。
其次,合理的热处理工艺可以改善高温合金的晶界结构,减少晶界腐蚀敏感性。
通过固溶处理和时效处理,可以消除晶界偏析和沉淀,提高材料的晶界结晶度和韧性,从而降低晶界的腐蚀敏感性。
再次,采用表面改性技术可以形成一层陶瓷涂层,提高高温合金的抗腐蚀能力。
例如,电化学磨削、电沉积、等离子喷涂等技术可以在高温合金表面形成致密的陶瓷层,防止腐蚀介质的侵蚀。
高温合金材料的制备和性能测试
高温合金材料的制备和性能测试高温合金材料是指能在高温环境下工作的金属材料。
由于高温环境的特殊性质,高温合金材料具有一系列独特的性质,例如抗氧化、耐热腐蚀、高强度、高温硬度等,因此广泛应用于航空、航天、汽车、核工业等行业。
本文将介绍高温合金材料的制备和性能测试。
一、高温合金材料的制备1. 熔铸法熔铸法是制备高温合金材料的主要方法之一。
该方法的基本原理是将各种金属和非金属元素按照一定的比例混合后,在高温下熔化,再逐步冷却形成所需的合金。
这种方法的优点是制备工艺简单,生产成本低,但是产品质量不容易控制,易产生内部缺陷和杂质。
2. 粉末冶金法粉末冶金法是制备高温合金材料的另一种常见方法。
该方法的基本原理是将金属和非金属粉末按照一定的比例混合,加工成粉末冶金件,然后在高温下进行烧结和变形加工,形成所需的合金。
这种方法的优点是产品的化学成分均匀,内部无缺陷,但是加工难度大,生产成本高。
3. 热处理法热处理法是制备高温合金材料的较为简单的方法之一。
该方法的基本原理是利用热处理的方法改变金属的结晶结构和物理性质,从而达到提高金属高温性能的目的。
这种方法适用于原料成分比较单一、不需要低温环节的高温合金材料制备。
二、高温合金材料的性能测试1. 抗氧化性能测试高温下的氧化是高温合金材料失效的主要原因之一。
因此,抗氧化性能的测试是高温合金材料性能测试中比较关键的一环。
通常采用高温氧化实验和动态载荷下的氧化实验来测试高温合金材料的氧化性能。
2. 耐热腐蚀性能测试高温下的腐蚀也是高温合金材料失效的原因之一。
耐热腐蚀性能的测试旨在了解高温合金材料在具体腐蚀环境下的长期性能。
常用的测试方法包括塔氏液腐蚀、硝酸腐蚀等。
3. 高强度性能测试高强度是高温合金材料具有的一种重要性能。
通过拉伸试验、冲击试验等方法,可以测试高温合金材料的高强度性能。
4. 高温硬度测试高温硬度是指高温下材料的抗压强度。
通常采用压痕硬度仪等设备来测试高温合金材料的高温硬度。
不同温度下DSMII镍基高温合金热腐蚀试验
收稿日期:2019-11-08基金项目:航空动力基础研究项目资助作者简介:刘明坤(1988),男,硕士,工程师。
引用格式:刘明坤,李艳明,刘宇,等.不同温度下DSM11镍基高温合金热腐蚀试验[J].航空发动机,2023,49(2):168-174.LIU Mingkun ,LI Yanming ,LIU Yu ,et al.Hot corrosion behaviors test of DSM11Ni-base superalloy under different temperature[J].Aeroengine ,2023,49(2):168-174.不同温度下DSM11镍基高温合金热腐蚀试验刘明坤,李艳明,刘宇,刘欢,佟文伟,乔志(中国航发沈阳发动机研究所,沈阳110015)摘要:为了研究DSM11镍基高温合金的抗热腐蚀性能,对该合金在650、750、850℃条件下涂覆5%NaCl+95%Na 2SO 4混合盐膜进行腐蚀试验。
利用金相显微镜(OM )、扫描电子显微镜(SEM )、能谱仪(EDS )和X 射线衍射仪(XRD )等手段,对合金被腐蚀200h 后的表面形貌、物相组成、元素和腐蚀层的分布情况以及腐蚀机理进行分析。
结果表明:随着试验温度的升高,合金表面腐蚀程度逐渐加重、腐蚀产物组成逐渐复杂、失重加大、腐蚀产物层厚度增大;合金的腐蚀产物层均可分为3层,最外层和中间层主要为氧化物,内层由颗粒状氧化物和硫化物组成,O 和S 的侵入现象表明合金发生了较明显的内氧化与内硫化现象;在3种温度下,合金表面生成连续稳定的Al 2O 3保护层,抑制了热腐蚀反应的进行,对基体存在有效的保护作用,表明合金具有一定的抗热腐蚀性能。
关键词:DSM11镍基高温合金;热腐蚀;内氧化;内硫化;Al 2O 3保护层;航空发动机中图分类号:V252.2文献标识码:Adoi :10.13477/ki.aeroengine.2023.02.022Hot Corrosion Behaviors Test of DSM11Ni-base Superalloy under Different TemperatureLIU Ming-kun ,LI Yan-ming ,LIU Yu ,LIU Huan ,TONG Wen-wei ,QIAO Zhi(AECC Shenyang Engine Research Institute ,Shenyang 110015,China )Abstract :In order to study the thermal corrosion behaviors of DSM11Ni-base superalloy,corrosion tests were conducted on the alloy coated with 5%NaCl+95%Na 2SO 4mixed salt films at 650,750,and 850℃.The surface morphology,phase composition,distribution of ele⁃ments and corrosion layer,and corrosion mechanism of the alloy after 200hours corrosion were analyzed using metallographic microscopy (OM),scanning electron microscopy (SEM),energy dispersive spectroscopy (EDS),and X-ray diffraction (XRD).The results show that with the increase of temperature,corrosion status on the surface of the superalloy gradually becomes serious,corrosion products become compli⁃cated,the loss of mass gradually increases and the thickness of the corrosion layer gradually increases.The corrosion layer of the superalloy can be divided into three layers,the outer and middle layers are multilayer oxides,and the inner layer is composed of granular oxides and sulfides,the intrusions of O and S indicate that the superalloy has obvious internal oxidation and internal sulfuration.At three temperatures,a continuous and stable Al 2O 3protective layer is formed on the alloy surface,which inhibits the thermal corrosion reaction and effectively protects the matrix,indicating that the alloy has a certain thermal corrosion resistance.Key words :DSM11Ni-base superalloy;thermal corrosion;internal oxidation;internal sulfuration;Al 2O 3protective layer;aeroengine第49卷第2期2023年4月Vol.49No.2Apr.2023航空发动机Aeroengine0引言DSM11镍基高温合金是以镍为基体,能在600~900℃高温下稳定工作,具有较好的抗氧化性、抗燃气腐蚀性、抗疲劳性等优良的综合性能,是燃气轮机涡轮叶片不可替代的关键结构材料[1-3]。
高温合金材料失效分析与改进方法研究
高温合金材料失效分析与改进方法研究概述高温合金材料在航空航天、能源和化工等领域中起着重要作用。
然而,在高温环境下,材料容易受到各种因素的影响而失效。
因此,对高温合金材料的失效分析和改进方法的研究显得尤为重要。
本文将探讨高温合金材料失效的主要原因,分析常见的失效模式,并提出改进方法。
高温合金材料失效原因高温环境下,高温合金材料容易受到以下几个主要因素的影响而失效:1. 氧化高温环境中的氧气会与合金表面相互作用,形成氧化层。
过厚的氧化层会导致材料的力学性能下降,最终导致材料失效。
2. 热腐蚀高温环境中存在的酸性、碱性和盐性化合物会腐蚀合金材料,导致材料的力学性能降低。
3. 疲劳长时间高温下的循环应力加载也会导致合金材料失效。
高温下,材料的循环疲劳寿命会大幅度降低。
常见的高温合金材料失效模式在高温环境中,高温合金材料常见的失效模式包括:1. 脆性断裂高温合金材料在高温下易发生脆性断裂。
脆性断裂会导致材料发生瞬时失效,对于一些关键部位而言,后果可能非常严重。
2. 疲劳断裂由于高温环境下的循环加载作用,高温合金材料容易发生疲劳断裂。
疲劳断裂是材料在长期循环加载下逐渐失效的一种常见模式。
3. 蠕变失效在高温高应力条件下,高温合金材料会发生蠕变现象,导致材料的形变和失效。
改进方法针对高温合金材料的失效问题,我们可以考虑以下改进方法:1. 材料改良通过改变合金材料的组成和制备工艺,可以提高材料的耐高温性能。
例如,添加稀土元素、优化晶粒结构和化学成分等方法可以提高材料的抗氧化和耐腐蚀性能。
2. 表面处理在高温合金材料表面施加涂层可以增强其耐高温性能。
常见的表面处理方法包括热喷涂、化学气相沉积和物理气相沉积等。
3. 结构改进通过改变高温合金材料的结构设计,可以减轻应力集中、提高强度和韧性。
例如,利用复合材料或纳米多孔结构设计可以增强材料的耐热性能。
4. 温度控制合理的温度控制可以减少高温合金材料的失效风险。
通过控制工作温度、制定合理的升温和降温过程等,可以降低材料失效的风险。
高温合金材料腐蚀与失效机理研究
高温合金材料腐蚀与失效机理研究随着科技的不断发展,高温合金材料在能源、航空航天等领域中得到了广泛的应用。
然而,在高温、高压、腐蚀等极端环境下,高温合金材料容易出现腐蚀和失效问题。
因此,研究并解决高温合金材料腐蚀与失效机理问题,对于材料的长期稳定运行至关重要。
本文将综述高温合金材料腐蚀与失效机理的研究进展。
一、高温合金材料的基本概念和特点高温合金材料是一种能够在高温环境下保持其机械性能和稳定性能的金属材料。
主要由铬、钴、镍等高熔点金属元素和铝、钛等增加强度的元素构成。
其主要特点包括优异的高温强度、抗氧化性和耐腐蚀性。
二、高温合金材料的腐蚀机理高温环境下,高温合金材料的腐蚀主要表现在氧化腐蚀和硫化腐蚀两方面。
(一)氧化腐蚀由于高温合金材料富含铝、钛等易氧化的金属元素,高温环境下这些元素与氧气发生反应,会形成一层致密的氧化物层覆盖在材料表面,起到一定的保护作用。
但是,在高温高压等极端条件下,氧化物层可能破裂、龟裂或剥落,进而导致基体的暴露,使其遭受腐蚀。
此外,压力、温度和气氛中的化学成分等也常常对高温合金材料的氧化腐蚀机理产生影响。
(二)硫化腐蚀高温合金材料在含硫介质中容易产生硫化腐蚀。
高温环境下,硫化物与合金表面的金属元素发生反应,产生易腐蚀的硫酸盐或硫酸化合物,在高温高压下,这些化合物可能发生高速腐蚀或者渗透进入材料内部,损害材料的性能和结构。
三、高温合金材料的失效机理高温合金材料的失效机理主要表现在应力腐蚀、蠕变和疲劳等方面。
(一)应力腐蚀高温高压环境下,高温合金材料遭受氧化或硫化腐蚀,材料表面的应力会发生变化。
此时,由于材料的应力和环境的化学腐蚀作用的共同影响,材料可能遭受应力腐蚀失效。
(二)蠕变蠕变是高温合金材料失效的另一种主要机理。
蠕变是指材料在高温高应力下,由于原子间的扩散和结构发生变化等原因,其形状和尺寸会发生不可逆的变化。
长期的蠕变作用会导致高温合金材料失效。
(三)疲劳在高温高压、高应力的条件下,高温合金材料容易发生疲劳失效。
高温合金的性能
高温合金是在高温下具有较高力学性能、抗氧化和抗热腐蚀性能的合金。
高温合金按基体成分可分为镍基高温合金、铁镍基高温合金和钴基高温合金,其中镍基高温合金发展最快,使用也最广,铁镍基高温合金次之。
按强化方式分为固溶强化合金和析出强化合金(或称时效沉淀强化合金)等。
按成型方式和生产工艺分为变形合金、铸造合金、粉末冶金合金和机械合金化合金。
固溶强化高温合金的基体为面心立方点阵的固溶体,在其固溶度范围内通过添加铬、钴、钼、钨、铌等元素,提高原子间结合力,产生点阵畸变,降低堆垛层错能,阻止位错运动,提高再结晶温度来强化固溶体。
固溶强化的效果取决于合金化元素的原子尺寸及加入量。
原子半径较大、熔点较高的钼和钨具有较好固溶强化作用,两者总含量可达18%~20%。
铬可防止高温氧化和热腐蚀,但含量过高会降低γ’相的固溶度,使合金的热强性下降。
镍基固溶强化高温合金一般均具有优良的抗氧化、抗热腐蚀性能,塑性较高、焊接性能好,但热性相对较低。
铁镍基固溶强化高温合金,虽然与镍基固熔强化高温合金相比在热强性、抗氧化和抗热腐蚀等方面略差一些,但仍具有良好的力学性能、较好冷热加工工艺性能和焊接性能。
析出强化高温合金是在固溶强化高温合金的基础上,通过添加较多的铝、钛、铌等元素而发展的。
这些无元素除了强化固溶体外,通过时效处理,与镍结合形成共格稳定、成分复杂的Ni3(Al Ti)相(也就是γ’相,具有长程有序的面心立方结构)或Ni3(Nb AI Ti)相(也就是γ’’相,有序体心四方结构)金属间化合物,同时钨、钼、铬等元素与碳形成各种碳化物(如MC M6C M23C6等)由于γ’(γ’’)相和碳化物存在,使合金的热强性大大提高。
此外,这类合金中还可以加入微量的硼、锆和稀士元素、形成间隙相,强化晶界。
近年来发展的一些合金,往往采用固溶,析出和晶界多种方式强化,使合金具有优良的综合性能。
随着AI Ti Nb 等γ’(γ’’)相形成元素含量的提高,其强化效果也增大,热强性提高,但合金的冷热加工性能和焊接性能随之下降。
高温合金材料的高温氧化行为与高温氧化机理研究
高温合金材料的高温氧化行为与高温氧化机理研究高温合金材料是一类具有良好高温性能的材料,被广泛应用于航空、航天、能源等领域。
然而,在高温环境下,这些合金材料会发生高温氧化现象,导致材料性能下降甚至失效。
因此,研究高温合金材料的高温氧化行为及其机理具有重要意义。
一、高温合金材料的高温氧化行为高温合金材料在高温氧化环境下,会出现以下问题:1. 氧化层生长:高温氧化时,合金表面生成一层氧化层。
这一氧化层的形成速度取决于合金成分、氧化环境以及高温氧化温度等因素。
2. 层状氧化:氧化层可呈现层状结构,由内向外可划分为内部金属基体、内氧化层、外氧化层和外表面脱附的氧化层等不同部分。
3. 渗透性氧化:氧化层中可能存在微观裂纹或孔洞,导致氧化层中形成渗透性氧化物,从而使氧化层逐渐增厚。
4. 氧化层的组成变化:高温氧化过程中,氧化层的化学成分会随着时间改变,产生不同的氧化物。
二、高温氧化机理研究研究高温合金材料的高温氧化机理有助于理解其氧化行为,并为开发更耐高温的合金材料提供指导。
1. 内稳定性机理:合金中的合金元素形成了氧化物,在高温氧化过程中,这些氧化物与金属基体之间形成密实的界面结构,起到防止氧的扩散的作用,从而提高材料的耐氧化性能。
2. 外稳定性机理:高温氧化时,合金表面可生成致密均匀的氧化层,这种氧化层能有效阻止外界氧与合金基体的相互作用,起到一定的保护作用。
3. 渗透氧化机理:氧化层中存在的裂纹、孔洞等缺陷可以导致氧的进一步渗透和氧化层持续增厚。
4. 孔蚀氧化机理:高温条件下,相对较低的氧分压和长时间的氧化作用可以导致焊缝、晶界等处发生局部氧化腐蚀。
三、高温氧化行为与机理研究的意义1. 提高高温合金材料的耐热性能:通过深入理解高温氧化行为和机理,可以设计和优化合金材料的成分和结构,提高其耐高温性能,并避免高温氧化导致的材料失效。
2. 指导高温氧化防护技术:根据高温氧化机理的研究结果,可以制定相应的高温防护措施,如涂层技术、气氛控制等,有效减缓高温氧化的速度和程度。
高温合金
2.4.3.2 涡轮盘合金成分、组织和性能
• 涡轮盘的性能要求
– 高强度 – 高断裂韧性 – 抗初始裂纹能力 – 低的疲劳裂纹扩展能力。 – 抗蠕变?
Distribution of Contributing Factors to the Strength
Matrix (pure Ni) ~20% Solid solution + Tertiary γ ’ ~30% Secondary γ’ ~35% Grain Boundary + Primary γ’ ~15%
• FGH4095
– 镍基沉淀硬化型粉末高温合金,可在1050°C以下长 期使用
镍基高温合金中 的主要相
Typical nickel-base superalloys are variations of an austenitic nickel-chromiumtungsten (or molybdenum) matrix, further hardened by coherent particles of γ’(Ni3Al,Ti) with optional additions of cobalt, niobium, tantalum, zirconium, boron, hafnium, carbon, and iron. Single-crystal superalloys do not require grain boundary strengthening elements so that boron, carbon, zirconium, and hafnium are eliminated.
高温合金的微观组织
• γ相: 基体相 • γ’ 相: 主要强化相 • 镍基高温合金的典型组织是在基
高温合金的耐蚀性能研究
高温合金的耐蚀性能研究近年来,随着工业和科技的不断发展,高温合金在航空、航天、能源等领域得到了广泛应用。
然而,由于高温工作环境的特殊性,高温合金往往会受到各种腐蚀因素的侵蚀,从而影响其使用寿命和性能。
因此,研究高温合金的耐蚀性能具有重要意义。
首先,我们需要了解高温合金的特性。
高温合金是一种特殊的合金材料,具有较高的耐高温性能。
它主要由金属基体和一些特殊合金元素组成,能够在高温下维持其力学性能、化学稳定性和结构稳定性。
而高温环境下的腐蚀往往是由高温气体、高温液体或高温气体与液体共同作用导致的。
在高温下,高温合金会面临不同类型的腐蚀,包括氧化腐蚀、硫化腐蚀、碱性腐蚀等。
其中,氧化腐蚀是最常见的一种腐蚀形式。
在氧气的作用下,合金表面会形成一层氧化物层,阻止氧气的进一步侵蚀。
然而,氧化膜的稳定性和厚度是影响高温合金耐蚀性能的重要因素。
为了研究高温合金的耐蚀性能,学者们采用了多种研究方法。
首先是光学显微镜、扫描电子显微镜等显微观察方法,用于观察材料表面的腐蚀形貌和组织结构。
其次是电化学测试技术,如极化曲线和阻抗谱法,用于评估高温合金的电化学性质和腐蚀行为。
此外,还有能谱分析、X射线衍射等方法可以对高温合金进行表征和分析。
研究发现,高温合金的耐蚀性能与其成分、晶体结构、显微组织和热处理等因素密切相关。
合金中的稀土元素和抗氧化元素能够显著提高高温合金的氧化膜稳定性和耐蚀性能。
此外,优化晶体结构和显微组织也是提高高温合金耐蚀性能的有效途径。
通过适当的热处理和加工工艺,可以改变合金的形变行为和晶界特性,从而降低合金的敏化倾向和腐蚀速率。
除了改进合金本身的组成和结构,还可以采取其他措施来提高高温合金的耐蚀性能。
例如,采用涂层技术可以在高温合金表面形成保护层,进一步提高其抗腐蚀性能。
同时,适当的工艺控制和材料筛选也能够有效降低高温合金的腐蚀性。
总而言之,高温合金的耐蚀性能研究是一个复杂且具有重要意义的课题。
随着科学技术的不断进步,我们对高温合金的理解和应用将不断深化。
高温合金腐蚀行为的研究
高温合金腐蚀行为的研究随着现代工业的不断发展和科技的进步,高温合金材料在航空、航天、石油化工等领域得到了广泛应用。
高温合金材料具有很好的高温性能和耐腐蚀性能,其使用寿命长、安全可靠,因此受到了众多企业和研究机构的青睐。
然而,在高温、高压和复杂化学环境下,高温合金材料依然会出现各种腐蚀问题,这也是制约其应用的一个重要问题。
因此,对于高温合金材料的腐蚀行为进行研究,对于提高高温合金材料的抗腐蚀性能以及延长其使用寿命具有重要意义。
一、高温合金材料的腐蚀类型高温环境中,高温合金材料主要会遭受氧化腐蚀、硫化腐蚀、氧化硫化复合腐蚀、盐腐蚀等多种类型的腐蚀。
1.氧化腐蚀:高温合金材料在高温氧化环境中,表面会形成一层氧化膜,这层氧化膜可以起到有效的保护作用,但在高温和高氧化环境下,氧化膜会逐渐失效并发生腐蚀。
2.硫化腐蚀:高温合金材料在硫化气体环境中,会发生硫化反应,形成硫化物,并进一步发生腐蚀。
硫化腐蚀会引起材料的严重腐蚀破坏,从而降低材料的强度和使用寿命。
3.氧化硫化复合腐蚀:氧化硫化复合腐蚀是一种将氧化腐蚀和硫化腐蚀作用复合而成的腐蚀形式,其腐蚀速度比单一腐蚀速度快,材料的破坏也更加严重。
4.盐腐蚀:高温合金材料在盐膜和盐残留环境中,会遭受盐腐蚀,其腐蚀速度较快,对材料的破坏较严重。
二、影响高温合金材料腐蚀行为的因素高温合金材料的腐蚀行为受到多种因素的影响。
1.温度:温度是影响高温合金材料腐蚀行为的最主要因素。
在高温环境下,高温合金材料的腐蚀速度会迅速增加。
2.气体环境:气体环境对高温合金材料腐蚀行为的影响也非常重要。
在不同的气体环境中,高温合金材料的腐蚀形式和腐蚀速度都会有所不同。
3.阴极极化:阴极极化对高温合金材料的腐蚀行为也有很大影响。
在极化状态下,高温合金材料的电化学特性会发生变化,从而影响腐蚀过程。
4.应力:高温合金材料在受到应力的作用下,也会发生腐蚀现象。
因此,在实际应用中需要注意材料的应力状态。
一种高温合金热处理金相组织的电化学腐蚀剂及其使用方法[发明专利]
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202011364066.0(22)申请日 2020.11.27(71)申请人 西安工业大学地址 710032 陕西省西安市金花北路4号(72)发明人 黄亮 曹岩 张家豪 鱼叶彪 孙瑜 (74)专利代理机构 北京权智天下知识产权代理事务所(普通合伙) 11638代理人 王新爱(51)Int.Cl.C25F 3/02(2006.01)G01N 17/02(2006.01)(54)发明名称一种高温合金热处理金相组织的电化学腐蚀剂及其使用方法(57)摘要本发明公开了一种高温合金热处理金相组织的电化学腐蚀剂及使用方法,该电化学腐蚀剂分别由腐蚀剂与清洗剂组成,且包含以下配比的原料:腐蚀剂分别由草酸固态粉末40~50g,甘油90~100g,氯化铜固态粉末5~10g,去离子水500~600ml组成;清洗剂分别由30~40ml的无水乙醇溶液与30~40ml的去离子水组成。
通过控制不同的电源参数针对不同制度下的热处理件进行电解腐蚀,并利用清洗剂进行样件腐蚀后的电解杂质清除,从而使得SLM成型IN 718镍基高温合金热处理的金相组织能够准确、清晰的显示出来,从而在解决传统冷腐蚀效率与效果不佳、热腐蚀程度难以准确把握控制的基础上大幅提升了腐蚀效率。
权利要求书2页 说明书6页 附图6页CN 112680774 A 2021.04.20C N 112680774A1.一种高温合金热处理金相组织的电化学腐蚀剂,其特征在于,该电化学腐蚀剂分别由腐蚀剂与清洗剂组成,且包含以下配比的原料:腐蚀剂分别由草酸固态粉末40~50g,甘油90~100g,氯化铜固态粉末5~10g,去离子水500~600ml组成;清洗剂分别由30~40ml的无水乙醇溶液与30~40ml的去离子水组成。
2.如权利要求1所述的一种高温合金热处理金相组织的电化学腐蚀剂,其特征在于,所述的腐蚀剂中草酸固态粉末的纯度不低于99.5%。
高温合金的热腐蚀机理及其防护措施
高温合金的热腐蚀机理及其防护措施一、高温合金的概念及用途高温合金是指在高温、高氧环境下仍能保持优异性能的合金材料。
它具有高温抗氧化、高强度、高韧性、高耐腐蚀性等特点,广泛应用于航空、航天、化工、电力、石化等领域。
二、高温合金的热腐蚀机理在高温、高氧、高湿、高盐等极端环境下,高温合金容易受到热腐蚀的影响,导致其性能下降或失效。
其主要热腐蚀形式包括氧化腐蚀、硫化腐蚀、氯化物腐蚀、碳酸盐腐蚀等。
1.氧化腐蚀氧化腐蚀是高温合金在高温氧化气氛中所遭受的最常见形式的腐蚀,它是指合金表面发生的氧化反应,生成氧化物层。
氧化层沿晶腐蚀现象也是氧化腐蚀的一种重要表现。
2.硫化腐蚀硫在高温燃烧的过程中,容易形成SO2等硫化性气体,这些气体与含硫化合物和水蒸气等反应,形成比氧化层更为薄的硫化层,引起高温合金材料内部的腐蚀问题。
3.氯化物腐蚀氯化物腐蚀是一种以氯离子作为催化剂的高温热腐蚀形式。
在大气中能够形成氯离子的化合物有盐酸、NaCl、KCl等。
氯化物在高温下能和金属表面反应,产生不溶于氯化物的金属氯化物或在金属表面形成氯化物纹理。
4.碳酸盐腐蚀碳酸盐腐蚀是在高温下由于含有CO2和氧气的气氛而形成的一种腐蚀现象。
碳酸盐腐蚀主要发生在高温下氧化和硫化气氛之外的环境中,通常在电站汽轮机和炉膛中发生。
三、高温合金的防护措施高温合金在使用过程中,应采取以下防护措施:1.涂层技术涂层技术是目前最常用的高温合金防腐蚀措施之一。
涂层材料的主要性能表现为抗氧化、抗腐蚀、高耐热性能、抗磨损、涂层附着度好等。
2.氩弧焊堆焊技术氩弧焊堆焊技术是一种高温合金受腐蚀的修复方法。
通过采用氩弧焊堆焊技术,将高温合金无损修复,伸长其使用寿命。
3.添加合金元素合理添加合金元素能够提高高温合金的耐腐蚀性能。
比如,添加Cr、Si等元素能够增强氧化膜的稳定性;添加Al能够增加材料的高温强度等。
4.正常维护正常维护也是高温合金防护的重要措施,如灰尘清理、水分控制、及时更换受腐蚀部件等。
高温合金的腐蚀特性与抗腐蚀机制研究
高温合金的腐蚀特性与抗腐蚀机制研究一、引言高温合金指的是能够在高温环境中保持较高强度和较好稳定性的金属合金。
由于其高温性能突出、抗腐蚀性强等特点,广泛应用于石油、化工、航空、能源等领域。
然而,在高温高压、复杂腐蚀气氛下,高温合金仍然可能发生腐蚀,因此,对于其腐蚀特性及抗腐蚀机制的研究至关重要。
二、高温合金的腐蚀特性1.化学腐蚀高温合金在高温氧化气氛下会发生化学腐蚀,主要包括氧化、硫化、氯化、氟化等,其中氧化是最为普遍的腐蚀方式。
氧化膜的形成是高温合金自保护的一种方式,但氧化膜上可能存在缺陷,使在腐蚀气氛中仍会发生腐蚀。
2.热腐蚀高温合金在高温、高压、高速气流、冲蚀沾污等条件下会产生热腐蚀,主要包括氧化–侵蚀、烧结–析出、溶解–沉积等腐蚀方式。
热腐蚀的发生会破坏高温合金表面的保护层,加速腐蚀的进展,从而影响高温合金的性能。
3.应力腐蚀高温合金在复杂应力状态下,如拉-压、扭转、弯曲等情况下,可能会出现应力腐蚀现象。
应力腐蚀还与腐蚀介质的性质有关,如温度、pH值、气体成分、流动速度等。
应力腐蚀容易发生在零部件的边缘、切口和焊缝等位置。
三、高温合金的抗腐蚀机制1.表面保护可通过热喷涂、电化学处理、化学蒸镀等方法,在高温合金表面形成一层保护层,以阻止腐蚀介质的进一步腐蚀。
其中,电化学处理可形成更为均匀的保护层,但成本较高。
2.合金设计对高温合金进行合金设计,制造出具有更好抗腐蚀性、更高热稳定性的高温合金材料。
例如,通过合理调整合金元素含量和比例,可使高温合金的耐热性提高。
3.表面修复高温合金在使用过程中可能发生表面磨损、划痕等情况,这会破坏高温合金表面的保护层,导致腐蚀加剧。
因此,进行表面修复可恢复高温合金表面的保护层,延长其使用寿命。
4.应力控制对于有应力腐蚀风险的高温合金部件,应对其应力进行控制。
一种方法是通过减少高温合金的残余应力,使部件在使用过程中的应力较小;另一种方法是通过合理设计零件,减少应力集中。
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热腐蚀的影响因素
温度:随着温度的增加,热腐蚀速率加快。
盐膜成份:Na2SO4是盐膜的主要成分,但纯腐蚀性并不很强,往往因为其中 混有少量NaCl,腐蚀性才大大增强。
气体环境:O2是参与氧化的主要元素,SO2,SO3等杂质也参与反应过程, 它们存在数量的多少或分压的大小对热腐蚀过程有很大影响。
合金元素:对高温合金的抗热腐蚀性有重要影响。 钛对抗热腐蚀性有益。合金中含量愈低,钛的加入量就应愈多。 铝是一个重要的抗高温氧化的元素,当合金中的铝含量超过5%,在合金表
结果分析
6%
利用 Origin 图形计算软件模拟了3 种合金的热腐蚀深度动力学曲线方 程式如下: No. 1 合金: y = 1. 23x + 0. 90 No. 2 合金: y = 0. 90x + 0. 42 No. 3 合金: y = 0. 44x + 1. 10
9%
17%
随着合金中的 Cr 含量的增 加,合金的抗热腐蚀能力 也增强
6
9
17
?
实验流程
10 mm × 10 mm ×2 mm 的试样, 去污打磨
涂盐腐蚀 (Na2SO4∶ Na Cl = 3 ∶ 1 的饱 和盐溶液 )
900 ℃ 静态常压的大气中分 别保温 1,2,5,10,30, 60 h
表征方法
X射线衍射分析(X-ray diffraction ) D/max 2500PCX 型射线衍射仪 ,确定腐蚀产物相结构 电子探针显微分析(Electron Probe Micro Analysis) EPMA-1610 型电子探针分析仪,观察腐蚀层前沿元素分布情况
外腐蚀层主要分布为 Cr,Ni,Co,Al 的氧化物,合金的内 腐蚀层主要分布尺寸较小的 Cr S。
O
CrS
Cr含量17%wt合金热腐蚀60h的元素分布图
(a) BSE; ( b) Al; ( c) Co; ( d) Cr; ( e) Ni; ( f) O; ( g) S; ( h) Re; ( i) Ti
Al
Cr
O
S
外腐蚀层有大量的 O 富集,而内腐 蚀层前沿富集了很多 S。表明外腐 蚀层产物以氧化物为主,而 No. 2 合金中内腐蚀层存在大量 S 化物。
Cr含量9%wt合金热腐蚀60h的元素分布图 (a) BSE; ( b) Al; ( c) Co; ( d) Cr; ( e) Ni; ( f) O; ( g) S; ( h) Re; ( i) Ti
谢谢观看
热腐蚀机理
硫化-氧Βιβλιοθήκη 模型Na2SO4+3R=Na2O+3RO+S
M+S=MS
M+MS=M-MS(金属-金属硫化物液态共晶)
酸碱熔融模型
在热腐蚀时,由于金属或合金的表面上形成的具有保护性的膜 层在沉积的液态熔盐中不断地被溶解而造成加速腐蚀:
Al2O3+O2-=2AlO2Cr2O3+2O2-+3/2O2=2CrO42-(氧离子活度高) NiO=Ni2++O2Al2O3=2Al3++3O2(氧离子活度低)
3 种合金的腐蚀深度动力学曲线
X 射线衍射图谱
No.1
No.2 合金在 900 ℃ × 30 h 热腐蚀样品的 XRD分析结果
No. 1 合金的腐蚀产物类型明显复杂于 Cr 含量比较高的 No. 2 和 No. 3 合金。
No.3
腐蚀层截面形貌
Al
Co
Cr
Ni基
观察到有少量 Ti的氧化物存在,而 XRD 没有检测到,这可能是由于表层形成 Ti 的氧化物含量非常少所致。 Cr含量6%wt合金热腐蚀60h的元素分布图 (a) BSE; ( b) Al; ( c) Co; ( d) Cr; ( e) Ni; ( f) O; ( g) S; ( h) Re; ( i) Ti backscattered electron
高温合金的热腐蚀
2015.9.8
汇报人:刘宏震 学号:15722132
基础介绍
实验过程
结果分析
结论
高温合金(superalloy)所面临的特殊挑战?
金属或合金表面沉积熔融盐(NaCl,
热腐蚀
NaSO4)而引起的腐蚀。发生热腐蚀 时,金属或合金表面沉积一层盐膜, 在一定的高温下都呈液态,加速了金 属材料的腐蚀。
Cr促进颗粒状M23C6碳化物在晶界上析出强化晶界,还可以保护合金表 性能要求的合金含有较高的Cr含量,但Cr的高温强化效果远远低于W,Mo (钼),Re(铼)等难熔元素,而且高Cr促进TCP相的形成,恶化合金的组
面不受O,S,盐的作用而产生高温氧化和热腐蚀,一般来说,具有耐热腐蚀
?
织稳定性,因此国内许多航空发动机用工作轮叶片材料均采用低Cr高W的固 溶强化方式。
结论
Cr 合金中 w( Cr) 仅为 6% ,腐蚀 60 h后,外腐蚀层已经严重剥落,为 O 和 S 向基
体内迅速扩散提供方便。而 w( Cr) = 17% 的 合金腐蚀60 h 后,外腐蚀层仍然比
较致密,抗热腐蚀性能良好。这些足以表明 Cr 是非常重要的抗热腐蚀元素。 随着Cr 含量的增加,合金的抗腐蚀性能逐渐提高。但也发现合金的内腐蚀层深度存 在不太均匀的情况,这表明合金的热腐蚀进程不是均匀向前扩展的,因此,合金的 抗热腐蚀性能的好坏还与合金的组织均匀性有着密切关系。
面能形成一层性能良好的保护膜,但对液态Na2SO4不能起良好的防护作用。
实验过程
管秀荣,关英双,纪慧思,等. 不同 Cr 含量对镍基高温合金抗热腐蚀性能的影响 【J】.材 料 热 处 理 学 报,2014,6(35);58-61 3 种合金的 Cr 含量( 质量分数,%)
No.1
No.2
No.3
w(Cr)/%
M23C6:碳化物是含Cr量高于6%(重量)的镍基高温合金中最常见的碳化物。 通常认为,形成大量的针状或膜状次生M23C6碳化物对合金力学性能产生不 利的影响,而在晶界上出现的颗粒状或链状M23C6碳化物阻碍晶界滑移,对 提高持久强度有利。 TCP相:高温合金中发现的拓扑密排相,特点为原子半径小的原子构成 密排层,其中镶嵌有原子半径大的原子,结构都非常复杂。。高温合金 在使用过程中如果发现大量的片状拓扑密排相,往往造成力学性能的严 重降低,威胁着航空发动机和燃气轮机等动力设备的安全使用。