渗铝涂层对Cr20Ni80电热合金抗氧化性能研究及失效分析

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Cr20Ni80合金是镍铬系电热合金中最为重要的牌号之一,在家用电器、工业热处理炉等电加热领域被广泛使用。由于Cr20Ni80合金从室温到熔点组织不发生相变,一直为单一的奥氏体组织,这就使得Cr20Ni80合金的各项性能稳定,具有优良的综合性能,如通电加热过程中电阻率稳定、合金熔点高、热膨胀系数较小、高温抗氧化性能优异、高温强度和力学性能良好,且室温下无磁性等诸多优点。近些年,电热合金的研究是国内外诸多学者关注的焦点和热点。我国学者对于电热合金的研究已有多年发展历史,目前我国发展成为电热合金生产大国,可生产各种牌号的电热合金,并且研究水平早已达到了研制新型电热合金的程度,建立了具有我国特点的电热合金体系。但是,我国生产的Cr20Ni80电热合金相较于国外同类产品的质量仍然有一定程度的差距,主要体现在Cr20Ni80电热合金使用寿命方面,远远低于进口产品的使用寿命。由于Cr20Ni80电热合金的服役环境一般都处于中高温环境中,所以高温抗氧化性能对其服役寿命有着极大的影响。合金的高温抗氧化性能又与服役过程中形成的氧化膜及其失效原因有着直接关系,因此为了提高Cr20Ni80电热合金的使用寿命,本论文通过在合金表面制备扩散渗铝涂层,改善其高温抗氧化性能,为电热合金的生产加工提供基础性的理论数据。本研究使用PECVD-12II-3Z/G型真空管式炉,采用固体粉末包埋法在Cr20Ni80电热合金丝表面制备扩散渗铝涂层,通过高电阻电热合金快速寿命装置对未渗铝及渗铝后的Cr20Ni80电热合金丝在恒温1000℃、1100℃、1200℃空气中进行通电加热,分别取持续通电氧化不同时间的试样,利用电子探针(EPMA)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析(EDS)、X射线衍射(XRD)等表征手段,对渗铝涂层、合金丝表面形貌、氧化膜物相等进行研究分析,并通过梅特勒-托利多TGA2热重分析仪对不同试样的氧化动力学进行研究。主要研究结果如下:(1)研究了Cr20Ni80电热合金丝5种不同试样氧化动力学曲线基本符合抛物线规律。其中渗Al-1%CeO2试样氧化增重速率最慢,达到了完全抗氧化性级别,相较于未渗铝试样氧化增重速率降低了43%,有效地保护了合金基体,大幅度的提升了Cr20Ni80电热合金丝的高温抗氧化性能。(2)对比研究了Cr20Ni80电热合金丝未渗铝试样、单一渗铝试样、Al-CeO2(0.5%、1%、2%)共渗试样的电阻随时间变化情况及快速寿命。结果表明:从电阻随时间变化曲线看出,试样氧化分为三个阶段,即氧化膜形成阶段、氧化膜稳定阶段、合金丝失效阶段。单一渗铝试样相较于未渗铝试样的快速寿命提高了7.62%,而Al-1%CeO2试样相较于单一渗铝试样的快速寿命提高了11.81%,相较于未渗铝试样的快速寿命提高了20.34%。
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