FeAl基合金的高温抗氧化性能分析

2 1000 ℃抗氧化实验结果及分析
2.1 抗氧化性实验结果 材料的抗氧化性能是指材料在高温下具有对
气体介质氧化腐蚀的稳定性。 对于高温下工作的 零部件， 抗氧化性能是决定材料使用寿命的重要 指标， 耐热钢材料高温抗氧化的基本原理是通过
(a) 1#
Fe3AlC0.5 Fe3Al Fe3AlC0.69
《热加工工艺》 2009 年第 38 卷第 20 期
39
材料热处理技术 Material & Heat Treatment
2009 年 10 月
24
1#
22
20
2#
氧化增重 /g
18
16
14
12
10
8
60
50 100 150 200 250
氧化时间 /h
图 2 试样 1000 ℃氧化动力学曲线
Fig.2 Oxidation kinetic curves of the samples at 1000 ℃
含碳量较高的材质较普通 FeAl 基合金的硬度高；B 元素改善晶界脆性，Zr 使晶界固溶强化，提高了材料的冲击韧度
和抗拉强度；1000 ℃下，含碳量较低的 FeAl 基合金呈完全抗氧化性，其循环氧化动力学曲线均服从抛物线规律。
关键词：FeAl 基合金； 抗氧化性能
中 图 分 类 号 ：TG146.2+1
Abstract：The two kinds of FeAl system with different chemical composition were designed, and its properties of oxidation resistance were analyzed by oxidation test at 1000 ℃ . The results show that the material containing high percentage of carbon has higher hardness than ordinary FeAl system alloy; B element can improve grain boundary embrittlement, Zr makes the grain boundary solution-strengthen, the impact toughness and tensile strength of the alloy are improved. FeAl alloy with less C content has complete oxidation resistance below 1000 ℃, and its oxidation kinetic curve obeys parabola law.
条状分布，氧化膜晶粒大小略有差异，且条状氧化 膜上也分布少量的花朵状氧化物， 各条状的氧化 膜中颗粒紧密叠加，比较致密，条状氧化膜之间间 隙较小，局部分布着花朵状的氧化物。 由 XRD 分 析结果可看出，随着氧化时间的延长，其 Fe2O3 峰 值不断降低，而 Al2O3 和 Fe3AlC0.5 峰值逐渐升高， 分析其原因，氧化初期因为表面的 Fe 的原子百分 比占优势，所以初期氧化膜中 Fe2O3 较多，从而在 基体中导致 Al 元素的富集，在 Fe2O3 脱落后就较 容易形成致密的 Al2O3 膜，很好地保护基体，这也 是 2# 试样氧化后期逐渐达到稳态的原因。 Fe 和 Al 元素氧化后在基体处容易形成 C 的富集，而铁 铝有较大的结合能， 铁铝化合物的结构难以因为 C 原子的富集而破坏， 而 C 原子的半径又小，只 能形成 C 原子择优占据铁原子八面体间隙的间 隙化合物 Fe3AlC0.5 相， 这就是 Fe3AlC0.5 峰值逐渐 升高的原因。
10 20 30 40 50 60 70 80 90 2θ/(°)
钢中的合金元素， 在高温下于钢的表面形成一层 高温稳定性好、组织致密的氧化膜，以阻止空气中 的氧原子或其他腐蚀气体进入钢的内部， 从而保 证材料在高温工况下的服役寿命。
本实验采用 增重法， 在 1000 ℃下 循 环 氧 化 240 h，通 过 计 算 试 样 单 位 面 积 、单 位 时 间 的 氧 化 增加质量即氧化速率来评定其高温抗氧化性能。 氧化速率越高， 说明该材料抗氧化性能越差，反 之，抗氧化性能越好。 测试 3 组数据，计算其平均 值，将结果列于表 1 中。 结合表 2 得出，在 1000 ℃ 下 循 环 氧 化 240 h，1# 和 2# 试 样 都 属 于 完 全 抗 氧 化级别。
文 献 标 识 码 ：A
文 章 编 号 ：1001-3814(2009)20-0038-04
Analysis on Oxidation Resistance of FeAl System Alloy at High-temperature
LIU Xiangrong1, ZHANG Shuzeng1, JIANG Jincheng2
38
Hot Working Technology 2009, Vol.38, No. 20
下半月出版
Material & Heat Treatment 材料热处理技术
提 高 结 合 强 度[1]。 从图 1 中还可看出，1# 试样有较高的 C 含量，
在基体内分布着大量的Fe3AlC0.5 和 Fe3AlC0.69。 这些 显微硬度较 高的块条状 碳化物 显 著 提 高 了 1# 试 样的宏观硬度；FeAl 型 2# 试样有较低的 C 含量， 但是其硬度仍然保持在 26.6 HRC，这是因为 B 有 强化晶界的作用，并且 Zr 还有固溶强化的作用[2]。
0.09050
表 2 GB/T13303-1991 钢的抗氧化级别评定 Tab.2 Oxidation resistance level evaluation of
GB/T13303-1991 steel
抗氧化等级
抗氧化性
平均氧化速率 /(g·m-2·h-1)
1
完全抗氧化
≤0.1
2
抗氧化
0.1～1.0
3
次抗氧化
1.0～3.0
4
弱抗氧化
3.0～10.0
5
不抗氧化
﹥10.0
2.2 循环氧化动力学分析
通常的氧化试验是在恒定的温度下进行的， 称作恒温氧化， 但金属构件在实际使用过程中有 时会经受冷-热循环。 由于表面氧化膜与金属的 线膨胀系数相差较大，温度变化时，氧化膜受热应 力和热疲劳作用，会发生开裂和剥落，新的氧化物 就会贯穿裂纹处或剥落区域快速形成。因此，为了 评定氧化膜的抗剥落性能以及氧化膜剥落后新的 氧化物生长速度，需进行循环氧化动力学测定。
(b) 2#
Al Fe
wt，% 28.61 71.39
பைடு நூலகம்
FeAl
CPS→ CPS→
10 20 30 40 50 60 70 80 90
0.1mm
2θ/(°)
0.5mm
图 1 试样的金相组织和铸态 XRD 图 Fig.1 Microstructure and XRD spectra of the sample as-cast
Key words： FeAl system alloy; oxidation resistance
21 世纪是高科技迅速发展的世纪，对材料的 性能提出了更高的新要求，为提高效率，许多传统 工艺以及新技术需要在更高温度下进行， 因此要 求材料具有更高的耐热性， 而其关键性能是耐高 温氧化性能。 Fe-Al 合金在最近的研究中受到极 大的重视，由于其具有长程有序的特殊结构，从而 带来一些特殊的物理、化学和力学性能，如独特的 电、热、磁、光、声性能，优良的抗腐蚀性和高温结 构性能，较高的比强度和中温强度，而且还表现出 反常的屈服行为、独特的形变特征和室温脆性，最 具有吸引力的是其原材料价格低廉， 本文正是在 此基础上设计了二组化学成分不同的 FeAl 基合 金，并比较其性能差异。
的原子互扩散的障碍壁垒， 以减少氧化膜厚度方 向上的裂纹及其长度，并提高氧化膜的断裂韧性， 降低氧化膜内部发生应变的级别， 改善氧化膜的 物相结构和附着力，提高钢的热强性。1# 试样为含 碳(质 量 分 数 ，下 同)1.1%～1.4%，Al 含 量 为 15% ～17% ， 不 含 微 量 元 素 。 2# 试 样 含 碳 0.03%～ 0.05%，Al 含量为 23%～25%，并含微量硼元素和 锆元素。
1 合金成分及其常温显微组织
合金成分控制在 FeAl 基合金 材料的表面 形 成保护性好的氧化物层膜， 成为氧及基体各元素
收 稿 日 期 :2009-04-10 作者简介:刘祥荣(1981- ),女,山东日照人,硕士研究生,主要从事化
工 工 艺 方 面 研 究 ; 电 话 :13488682059; E-mail:2006000063@163.com
化级别。
20
1#
16
2#
氧化速率 /(g·h-1)
12
8
4
0
50 100 150 200 250
氧化时间 /h
图 3 1000 ℃氧化速率随时间变化曲线
Fig.3 The change of oxidation rate with time at 1000 ℃
3 氧化膜的形貌分析
由图4可看出，1# 试样 16 h 氧化膜并未完整地 包覆整个基体， 基体表面所形成的氧化膜上存在 大量的颗粒状和花朵状颗粒， 相互之间结合较为 紧密。 1# 试样 240 h 氧化膜已经完全包覆基体，呈
确定氧化温 度为 1000 ℃， 总 的 氧 化 时 间 为 240 h， 然后在此条件下进行周期性的氧化-冷却 试验。 试验期间称量试样在各个周期时间点的前 后质量， 试样的增重随着循环周次或氧化时间的 变 化 用 以 表 征 循 环 氧 化 动 力 学 [3]。
根据试样单位面积上的氧化增重绘制出其循 环氧化动力学曲线，如图 2 所示。 可以看出，各试 样在 1000 ℃时氧化增重曲线大体呈抛物线，即各 试样氧化动力学服从前述抛物线规律。 由于受到 试验条件、试验误差等因素的影响，所以图中曲线 并不是很好地符合抛物线的形状， 而是出现了一 些偏差，但在大体上还可以看出，它的氧化增重曲 线服从抛物 线规律。 在 0～16 h 的 氧 化 初 期 ，曲 线的趋势都比较陡， 氧化速率很快，这个阶段试 样由于成分中各元素较纯而很容易被氧化；在 16～120 h 试 样 曲 线 走 势 变 缓 ， 说 明 氧 化 速 率 较 前 段 降 低 了 ； 120 h 之 后 试 样 曲 线 走 势 则 更 加 平 缓，达到非常稳定的状态，说明氧化速率已经变得
很慢， 这个阶段在试样的表面形成了连续致密的
氧化膜。 图 3 更能明显地反映出各试样氧化速率 的变化，在整个的氧化过程中，2# 试样无论是单位 面积的氧化增重还是氧化速率均优于 1# 试样，表 现出良好的抗氧化性能， 1# 试样抗氧化性能也较 好。 结合表 2 也可看出，1#、2# 试样属于完全抗氧
(1. College of Chemical Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China; 2. College of Material Science and Engineering, University of Science Technology Beijing, Beiing 100083, China)
图 1(a)为 1# 试样的铸态显微组织和 XRD，确 定 1# 试样组织为 FeAl 基体上弥散分布着条状的 Fe3AlC0.5 和 Fe3AlC0.69， 其 硬 度 为 470 HV， 基 体 的 硬度为 307 HV。
图 1(b)为 2# 试 样 组 织 ，为 FeAl，其 晶 界 处 存 在硼化物和富 Zr 相。 从金相图中可看出，合金晶 界浸蚀的边界处 Zr 的含量高。 而且 B 元素偏聚 于晶界， 抑制晶界杂质 P、S、O 等在晶界偏聚，从 而改善晶界脆性，改变晶界原子排列，促使晶粒间 位错传播，降低晶界应力集中，使强度和塑性得到 明显提高，并且 Zr 具有固溶强化的作用。 加入的 C、B 和 Zr 的质量分数较小，可以不使晶格类型变 化，改变晶界结构，不析出有害相，抑制杂质影响，
材料热处理技术 Material & Heat Treatment
2009 年 10 月
FeAl 基合金的高温抗氧化性能分析
刘祥荣 1, 张树增 1, 姜锦程 2
(1. 北京化工大学 化学工程学院, 北京 100029; 2. 北京科技大学 材料科学与工程学院, 北京 100083)
摘 要：设计了二组化学成分不同的 FeAl 基合金，进行了 1000 ℃的高温氧化试验，并对其进行了分析。 结果表明，
表 1 抗氧化性试验结果 Tab.1 The results of oxidation resistance test
试样 氧化前质量 /g 氧化后质量 /g 增重 /g 氧化速率 /(g·m-2·h-1)
1# 46.9167
46.9365 0.0198
0.09847
2# 46.4828
46.5011 0.0183