0Cr18Ni9Ti不銹鋼表面等離子滲鋯的耐蝕及抗高溫氧化性研究.pdf

1、0Cr18Ni9Ti不銹鋼具有優(yōu)良的耐蝕性、焊接性及綜合力學(xué)性能,在航空航天、化工、原子能等行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。然而因其承受的最高使用溫度只有800℃左右,高溫氧化問(wèn)題已成為制約其應(yīng)用于高溫環(huán)境的重要因素;且其表面硬度較低,在特定的腐蝕環(huán)境中的耐蝕性能有待進(jìn)一步提高。而Zr是強(qiáng)碳化物形成元素,形成的碳化物穩(wěn)定性、硬度、耐磨性和抗氧化性能均較好,ZrO2更因具有高熔點(diǎn)、高硬度、高強(qiáng)度、耐磨損、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)良性能可作為良好的熱障材料

2、。
　　因此,本研究采用雙輝等離子滲金屬技術(shù)在0Cr18Ni9Ti不銹鋼表面滲Zr,并進(jìn)行滲碳與低溫預(yù)氧化處理,以期在不銹鋼表面形成ZrC、ZrO2改性層,提高其硬度及抗高溫氧化性。本文探討了工藝參數(shù)對(duì)滲Zr合金層厚度的影響,優(yōu)化了雙輝等離子滲Zr的工藝參數(shù);研究了優(yōu)化工藝參數(shù)下滲鋯合金層的組織結(jié)構(gòu)、成分、硬度及耐蝕性;研究了滲鋯+滲碳以及滲鋯+滲碳+預(yù)氧化處理后的試樣的組織結(jié)構(gòu)、成分、硬度;并分別研究了經(jīng)過(guò)滲鋯、滲鋯+滲碳、滲鋯

3、+低溫預(yù)氧化、滲鋯+滲碳+低溫預(yù)氧化處理的試樣的組織結(jié)構(gòu)、成分及抗高溫氧化性能;并根據(jù)氧化動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù),求出各自的氧化動(dòng)力學(xué)方程與氧化速率常數(shù)(kT),進(jìn)而求出經(jīng)不同工藝階段處理后的試樣的氧化激活能與kT-T的具體表征式。試驗(yàn)結(jié)果如下:
　　(1)滲鋯的優(yōu)化工藝參數(shù)為:極間距25 mm,工作氣壓35 Pa,保溫溫度1060℃,源-陰極電壓差300 V,保溫時(shí)間5 h,所獲滲層厚度為65μm;滲層組織為柱狀晶,組織致密、分布連續(xù)、無(wú)裂

4、紋。由表及里鋯元素成梯度分布,滲層與基體呈良好的固態(tài)冶金擴(kuò)散結(jié)合。滲層的物相主要為:ZrFe2、ZrC;滲鋯合金層表面的平均硬度約為1530 HV0.05,明顯大于不銹鋼基材的表面硬度(約為350 HV0.05);且試樣由表及里,硬度呈梯度降低趨勢(shì);在0.5 mol·L-1 H2SO4溶液、0.5 mol·L-1 HNO3溶液、0.5 mol·L-1 HCl溶液、3.5％NaCl溶液、0.5 mol·L-1 NaOH溶液中,不銹鋼基材的

5、相對(duì)腐蝕速度分別是滲Zr合金層的2.18倍、9.73倍、24.43倍、2.44倍、1.90倍;未處理的不銹鋼表面腐蝕較為嚴(yán)重,而滲Zr合金層表面只出現(xiàn)輕微的局部腐蝕蝕坑,可見(jiàn)經(jīng)滲鋯處理后,不銹鋼的耐蝕性能有所改善;
　　(2)雙輝等離子滲Zr時(shí),優(yōu)化的溫度參數(shù)為1060℃,在此溫度下,試樣由表及里,Zr元素含量成梯度遞減,Zr的擴(kuò)散系數(shù)D由表及里逐漸減小,而擴(kuò)散激活能Q由表及里逐步增大。在此溫度下采用普通滲金屬時(shí),試樣表層每平方厘

6、米的空位數(shù)目約為5.8×1010,而在同樣的溫度下采用雙輝等離子技術(shù)滲 Zr時(shí),試樣表層每平方厘米的空位數(shù)目約為2.6×(1012~1013),空位數(shù)目提高了1~2個(gè)數(shù)量級(jí)。由此可見(jiàn),在離子轟擊條件下,表面的空位數(shù)目大大增加,大大超過(guò)了平衡空位濃度;表明采用雙輝等離子滲金屬方法可以獲得較快的滲入速率,縮短生產(chǎn)周期;
　　(3)920℃固體滲碳后,所形成的碳化物以顆粒狀在滲層中彌散分布,且無(wú)共晶碳化物生成;且實(shí)際檢測(cè)到的試樣表面中的

7、含碳量要比理論值略大;滲碳層的物相為:ZrC、Fe3C、FeC8、ZrFe2、ZrO2、Cr2O3、α-Fe、Fe-Cr、Cr1.36Fe0.52;試樣表面的硬度約為1820 HV0.05(而經(jīng)滲Zr處理后的試樣的表面硬度約為1530 HV0.05),明顯大于不銹鋼基材的表面硬度(約為350 HV0.05),較未處理的不銹鋼基材提高了約4倍;隨著向基體內(nèi)的延伸,硬度值呈梯度降低;
　　(4)在620℃靜態(tài)空氣中預(yù)氧化6 h后,不銹

8、鋼基材表面主要形成FeCr0.29Ni0.16C0.06、Fe0.64Ni0.36、Fe2O3,還有少量的 Cr0.03Fe0.97、Cr1.07Fe18.93、Fe-Cr;滲Zr試樣,經(jīng)過(guò)低溫預(yù)氧化后表面主要為Fe2O3、ZrO2,;滲Zr+滲C試樣,經(jīng)過(guò)低溫預(yù)氧化后表面生成物主要為ZrO2,其次是Fe3O4、Fe2O3、Cr2O3及少量的Cr0.03Fe0.97;
　　(5)在620℃靜態(tài)空氣中預(yù)氧化6 h后,未經(jīng)任何處理的不

9、銹鋼基材表面已經(jīng)出現(xiàn)較多深而寬的裂紋;滲Zr試樣再經(jīng)過(guò)預(yù)氧化處理,試樣表面較不銹鋼基材氧化后的致密度大為提高、沒(méi)有出現(xiàn)大的裂紋,但還是有一些小的孔洞,基體與改性層有一條界線,但可以看出基體與改性層結(jié)合不是很牢固,抗高溫氧化性能提高程度還有待提高;經(jīng)滲Zr+滲C處理+低溫預(yù)氧化后,試樣表面較滲Zr后又變得更為致密,表面光滑且無(wú)孔洞與裂紋,基體與改性層有一條明顯的界面且結(jié)合非常牢固,抗高溫氧化性能大為改善;
　　(6)不銹鋼基材+滲

10、Zr+滲 C+低溫預(yù)氧化處理后,試樣表面的硬度約為2580 HV0.05,明顯大于不銹鋼基材的表面硬度(約為350 HV0.05),可見(jiàn),經(jīng)過(guò)低溫預(yù)氧化處理后的試樣的表面硬度較未處理的不銹鋼基材提高了約6倍;且由表及里試樣硬度值呈梯度降低;
　　(7)研究了0Cr18Ni9Ti不銹鋼及其分別經(jīng)過(guò)滲Zr、滲Zr+滲C,滲Zr+預(yù)氧化、滲Zr+滲C+預(yù)氧化不同工藝階段處理后的試樣,在1000~1150℃空氣中的高溫氧化行為。結(jié)果表明,

11、它們的氧化增重與氧化時(shí)間的關(guān)系基本上均遵從拋物線規(guī)律,且氧化速率常數(shù)皆隨溫度升高而增大,且氧化時(shí)間延長(zhǎng)時(shí),氧化速率均有所減小;各工藝階段試樣的氧化激活能分別為97.158、108.798、118.378、211.488、347.423 kJ/mol,其恒溫氧化速率常數(shù)具體表征式分別為0.349exp(-97158/RT)、0.0268exp(-108798/RT)、0.0336exp(-118378/RT)、5.1516exp(-211

12、488/RT)、2.6062×105exp(-347423/RT);在相同溫度下氧化相同時(shí)間后,經(jīng)過(guò)每一工藝階段的處理后,試樣氧化增重均依次顯著降低,恒溫氧化速率皆依次明顯減小,表明經(jīng)過(guò)每一工藝階段的處理后,試樣的抗高溫氧化性能都有所提高;
　　(8)在1150℃靜態(tài)空氣中氧化20 h后,經(jīng)過(guò)滲Zr+滲C+預(yù)氧化、滲Zr+預(yù)氧化、滲C、滲Zr處理的氧化增重分別只有未處理基材的0.04、0.07、0.09、0.12倍,表明抗氧化性能

13、較未處理的基材都有了很大程度的提高,其中經(jīng)過(guò)滲 Zr+滲 C+預(yù)氧化處理后,效果最佳,其次依次分別是經(jīng)過(guò)滲Zr+預(yù)氧化、滲C、滲Zr處理的試樣;不銹鋼基材表面主要形成Fe2O3、Cr1.3Fe0.7O3,還有少量的Cr2O3與Cr0.19Fe0.7Ni0.11;而經(jīng)過(guò)滲Zr、滲Zr+滲C、滲Zr+預(yù)氧化處理,滲Zr+滲C+預(yù)氧化處理的試樣,氧化后表面主要為Fe3O4、ZrO2、Cr1.3Fe0.7O3、Cr2O3、Cr0.19Fe0.7

14、Ni0.11、α-Fe,且 ZrO2含量依次相對(duì)增多;
　　(9)在1150℃靜態(tài)空氣中氧化20 h后,不銹鋼基材表面氧化嚴(yán)重,氧化層多次剝落,截面上出現(xiàn)了非常寬的裂縫;滲Zr、滲Zr+滲C、滲Zr+預(yù)氧化處理,滲Zr+滲 C+預(yù)氧化處理的試樣,高溫氧化后,表面致密度及截面形貌依次漸好,說(shuō)明經(jīng)以上各階段處理后,材料的抗高溫氧化性依次有所提高。特別是經(jīng)滲 Zr+滲 C+低溫預(yù)氧化處理的試樣在高溫氧化后,截面無(wú)孔洞與裂紋,其結(jié)構(gòu)非常致