镍基高温合金K447的热腐蚀与热疲劳性能的研究

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铸造镍基高温合金K447是中科院金属研究所新研制的先进重型燃气轮机导向叶片材料。研究其在使用条件下的热腐蚀和热疲劳行为可以为该材料的应用提供实验基础和理论依据,具有重要意义。本文系统研究了K447合金在700℃-900℃条件下的熔盐热腐蚀行为和在不同温度循环下的热疲劳行为,并与钴基合金ECY768比较。采用SEM、OM、XRD等研究方法对合金腐蚀产物的表面和截面以及热疲劳裂纹的形貌进行了观察和分析,探讨了K447合金的热腐蚀机理和热疲劳裂纹萌生与扩展机理。结果表明: K447合金在850℃、90%Na<,2>SO<,4>+10%NaCl熔盐中的腐蚀动力学遵循抛物线规律,具有较好的抗热腐蚀能力。腐蚀温度提高至900℃或熔盐变为75%Na<,2>SO<,4>+25%NaCl都加重了合金的热腐蚀。700℃下发生的热腐蚀所造成的失重最严重。 实验温度在850℃以上时发生高温热腐蚀。合金表面形成Cr<,2>O<,3>保护层,对合金有保护作用,中间层以TiO<,2>为主,氧化层以下发生内氧化和内硫化。随着腐蚀时间增长和温度升高,氧化层变厚且内氧化和内硫化加重,并逐渐被溶解疏松、失去保护性。熔盐中的NaCl易与合金元素反应生成挥发性产物,造成氧化层的开裂和脱落。高温热腐蚀遵从碱性熔融机理进行。700℃时发生低温热腐蚀,在腐蚀过程中形成了COSO<,4>-Na<,2>SO<,4>液态低熔点共晶盐,最终腐蚀产物为Ni<,3>S<,2>和氧化物的混合物,Ni<,3>S<,2>的存在加速了镍和硫的扩散。 K447合金热疲劳主裂纹从V形缺口处萌生,沿晶界扩展,开裂的碳化物为裂纹扩展优先通道;热疲劳裂纹长度和扩展速度随最高循环温度升高而增大,当最高循环温度较低时(700℃),MC碳化物的开裂是造成合金热疲劳损伤的控制因素;当最高循环温度较高(800℃、900℃)时,沿晶界的高温氧化现象加剧而有利于裂纹的扩展,此时氧化是合金热疲劳损伤的控制因素。
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