论文部分内容阅读
本文采用X射线衍射分析仪(XRD)以及配备有能谱(EDS)的扫描电子显微镜(SEM)等手段系统研究了合金主元素(Re、Cr、Al、Ti)及其交互作用以及第二晶体取向对镍基单晶合金的高温热腐蚀性能(腐蚀介质:Na2SO4盐;热腐蚀温度:900℃)的影响;此外,还在750℃大气环境下(无SOx气氛),对比分析了表面分别涂覆90 wt.%Na2SO4+10 wt.%NaCl混合盐(在750℃为熔融态)和纯Na2SO4盐(在750℃为固态)的第二代镍基单晶合金的热腐蚀行为。本文结合第一性原理模拟计算揭示了 Re元素对改善镍基单晶合金抗热腐蚀性能的影响机制,并针对第二晶体取向对镍基单晶合金抗热腐蚀性能的影响,以及无SOx气氛下的低温热腐蚀固相硫化反应进行了初步探索。对于不含Re元素的单晶合金,提高Al/Ti比虽然在热腐蚀初期能够促进更连续的内AlO2O3层的形成,导致合金热腐蚀增重显著降低;但随着热腐蚀的进行,在热腐蚀试验后期由于Ti含量不足,导致合金无法形成足够含量的TiO2以消耗后续生成的NiO,最终致使合金表面被一层无保护性的多孔NiO层所覆盖,同时大量的NiO还可能引发酸碱氧化物间的协同溶解,加速热腐蚀。而低Al/Ti比的合金由于Ti含量充足有利于后期形成完整致密的NiTiO3外氧化层,因而展现了较好的综合抗热腐蚀性能。对于较低Cr含量的高Al/Ti比合金,通过添加Re元素依然展现出优异的抗热腐蚀性能。Re元素显著提高热腐蚀性能的机理主要为Re的添加可能促进γ相中的Cr和γ’相中的Ti元素扩散,进而促进Cr2O3和TiO2的形成,抑制了后期无保护性NiO外氧化层的形成,合金表面氧化物组成更具保护性;结合试验研究结果,通过第一性原理模拟计算也进一步验证了 Re的添加能够促进γ相中Cr的外扩散的设想。从热腐蚀增重和截面腐蚀层厚度方面对不同二次晶体取向合金的高温热腐蚀性能进行测试和表征,无Re合金的不同第二取向试样均呈现出一定的各向异性,即相比于[210]和[100]取向试样,第二取向[110]试样抗热腐蚀性能最差。这可能是由于γ/γ’界面结构的差异影响合金元素的扩散进而导致合金热腐蚀性能呈现各向异性。而含Re合金的不同第二取向试样的抗热腐蚀性能并未表现出明显的各向异性,这可能是由于Re的添加促进元素扩散削弱了 γ/γ’界面结构差异带来的影响。通过研究第二代抗热腐蚀单晶合金在750℃大气环境下不同腐蚀介质中的低温热腐蚀行为,发现在熔融盐环境下合金遭受了类似Ⅰ型热腐蚀(液相侵蚀)的损害。相比于固态盐环境,合金在熔融盐环境下遭受了更严重的热腐蚀侵害;在750℃纯Na2SO4固态盐环境下,合金热腐蚀100 h后其腐蚀产物与混合盐试验中的产物基本相同,但其腐蚀层厚度相对更薄,硫化物尺寸相对更大。结合热力学和微观组织分析,本研究在低温热腐蚀中发现了一种新的固态硫化反应,明确了在无SOx气氛的腐蚀环境下合金元素能够与固态Na2SO4盐发生硫化反应。