铬_铝_硅对铁基高温合金抗氧化性能的影响

铬、铝、硅对铁基高温合金抗氧化性能的影响

Effect s of Chro mium,Aluminium and Silicon on Oxidation

Resistance of Fe2base Superalloy

王海涛,张国玲,于化顺,王少卿,闵光辉(山东大学材料学院材料液态结构及其遗传性教育部重点实验室,济南250061) WAN G Hai2tao,ZHAN G Guo2ling,YU Hua2shun,WAN G Shao2qing,M IN Guang2hui

(Key Laboratory for Liquid St ruct ure and Heredity of Material of Education Minist ry,

School of Material Science and Engineering,Shandong U niversity,Jinan250061,China)

摘要:采用正交设计的实验方法探讨了铬、铝、硅元素含量对铁基高温合金抗氧化性的影响规律。为获得稳定的抗氧化能力,上述各元素的含量应分别高于17%Cr,4%Al,115%Si。结果表明:当三元素同原子比时对铁基高温合金抗氧化性的影响次序为Si最大,Al次之,Cr最小。结构平坦、组织致密、颗粒细小均匀的氧化膜抗氧化性较好,反之较差。当氧化膜由Cr2O3,Al2O3,SiO2,Fe(Ni)Cr2O4多种氧化物组成复合氧化膜时于1250℃表现为强抗氧化性,当缺少Al2O3或SiO2时表现为弱抗氧化性。

关键词:耐热钢;铁基高温合金;氧化膜;抗氧化性

中图分类号:T G142173 文献标识码:A 文章编号:100124381(2008)1220073205

Abstract:The effect s of chromium,aluminium and silico n on t he o xidation resistance were st udied by ort hogonal experiment met hod.The result s show t hat t he content of Cr,Al,Si in test alloys for stable oxidation resistance should be added more t han17%Cr,4%Al and115%Si respectively.The most af2 fecting element for oxidation resistance is Si among stoichiomet ric Cr,Al and Si,t he following one is Al,and t he last one is Cr.The flat and compact st ruct ure,fine and even grains endow it wit h good ox2 idation resistance,ot herwise t he scales are bad in o xidation resistance.High2temperat ure oxidation re2 sistance depends on t he compo sition of t he scales on test alloys.The compounded scales of Cr2O3, Al2O3,SiO2and Fe(Ni)Cr2O4possess st rong oxidation resistance at1250℃,but it become poor wit h2 out Al2O3or SiO2.

K ey w ords:heat resistant steel;Fe2base superalloy;oxide scale;oxidation resistance property

铁基高温合金应在650℃以上能承受一定的应力并且具有抗氧化性和抗腐蚀性能。相对于镍基和钴基高温合金而言,铁基高温合金价格低廉,生产工艺简单,是一种普遍应用于国防 能源 航空以及核工业等领域的高温结构材料。高温抗氧化性是铁基高温合金的一项重要指标。早期研制的Fe2Cr系、Fe2Cr2Ni 系、Fe2Cr2Ni2N系高温合金主要依靠Cr元素提高其高温抗氧化性,该系列合金突出表现在高温强度方面,耐热温度随Cr元素含量的提高可以达到900～1200℃[1-3]。其后研制的Fe2Cr2Si系,Fe2Cr2Ni2Si 系,Fe2Cr2Mn2Si系高温合金中,Si元素被氧化形成SiO2氧化膜,其热稳定性高,不但增加了Cr2O3氧化膜的致密度,而且提高了氧化膜与基体的附着力,减少了剥落倾向[4-6]。Fe2Cr2Al系、Fe2Cr2Ni2Al系高温合金在欧美国家研究较多,虽然在高温力学性能方面不够理想,但具有良好的高温抗氧化性,高温下Al元素形成的Al2O3氧化膜致密坚固,不具有挥发性,与Cr2O3氧化膜紧密结合大大增加了铁基高温合金的高温抗氧化性[7-11]。对于铁基高温合金中同时加入Cr,Al,Si 元素形成复合氧化膜以提高其高温抗氧化性,迄今国内外研究较少。本工作采用正交设计方法,在实验的基础上探讨Cr,Al,Si三元素对铁基高温合金高温抗氧化性的影响规律,通过Cr,Al,Si氧化膜的复合作用在保证一定高温力学性能的基础上进一步提高合金的耐热温度,为研制新型高温合金提供必要的理论依据。

1　实验方法

本实验采用正交设计方法设计合金成分,正交设

计表选用5水平6因素,即L 25(56),变量成分为C ,Ni ,Cr ,Al ,Si ,B 六种元素,各选取5个含量,参见表1。

表1　设计的实验合金成分及其含量(质量分数/%)

Table 1　Factors and levels of the chemical composition in test alloys (mass f raction/%)

Level C Cr Ni Al Si B Fe 10.05146200Bal 20.101783 1.00.01Bal 30.1520104 1.50.02Bal 40.2023125 2.00.03Bal 5

0.25

26

14

6

2.5

0.04

Bal

实验所用材料为工业纯铁 微碳铬铁 镍板 工

业纯硅、1#稀土硅铁合金以及铝线。实验合金采用中频感应电炉熔炼,浇注温度1500～1550℃。毛坯试棒采用石墨型浇注,共熔炼出25个实验合金,按正交设计表编号。

实验合金的高温抗氧化实验按G B/T13303—1991氧化增重法测试,试样盛在氧化铝坩埚内放到ZW K 型可控硅温度控制炉内加热至1250℃保温氧化5×100h ,用T G328810-4g 全自动光电分析天平称量其氧化增重,计算增重速率。

2　结果与讨论

211　铬、铝、硅含量对实验合金高温抗氧化性的影响

根据正交设计方法特性,各变量分析可选自正交设计表L 25(56)对应列及相关列独立进行,

因此本工作重点选择Cr ,Al ,Si 三元素研究其各自的影响规律及综合作用。按1250℃抗氧化性实验取最后100h 的氧化增重数值计算其增重速率,并计算各元素同水平氧化增重速率总和及其极差,参见表2。

表2　实验合金1250℃氧化增重速率极差分析表

Table 2　Range analysis of oxidation

mass gain rate at 1250℃

Element level

Sum of oxidation mass gain rate

/(g ・(m 2・h )

-1)

Cr

Al Si 116.0716.0515.70217.028.948.83311.0912.6514.4547.599.518.855 3.947.44 6.76Range (R )13.088.618.94Range under equal

mass percentage (RW ) 1.09

2.15

3.58

Range under equal atom number (RA )

5.67 5.8110.06

由表2数据作图1。从图1中可以看出,高温合金随Cr ,Al ,Si 元素含量的增加其氧化增重速率呈现下降的趋势,因此Cr ,Al ,Si 均为实验合金的高温抗氧化有益元素。

图1　元素含量对氧化增重速率的影响　(a )Cr ;(b )Al ;(c )Si

Fig 11　Influence of element content on oxidation mass gain rate

(a )Cr ;(b )Al ;(c )Si

在实验合金中加入Cr 除了固溶强化铁素体外,还

能提高铁基体的电极电位,加强基体的耐腐蚀性。在高温下Cr 与氧反应生成Cr 2O 3,它是菱方晶系结构,热稳定性较高,不易分解,一定量的Cr 能形成连续致