K52铸造高温合金氧化性能研究

K52铸造高温合金氧化性能研究

束文武

江苏图南合金股份有限公司  江苏省丹阳市邮编：212300

摘  要

高温合金是一种具有较高的高温强度，良好的抗氧化和耐腐蚀性能的合金。本文研究了K52高温合金的氧化动力学性能，测定了800 ℃到950 ℃的氧化动力学曲线。氧化动力学曲线氧化初期为直线规律，氧化后期遵循抛物线线规律。通过激活能的计算，得反应初期激活能Qp1为161.033 kJ/mol，该合金氧化反应激活能后期Qp2为238.241 kJ/mol。氧化初期受表面控制，后期受扩散过程控制。如K52合金800℃下，属于完全抗氧化级，其Kp1为0.00604 mg2·cm-4·h-1，Kp2为0.003568 mg2·cm-4·h-1。900，950 ℃下，属于抗氧化级。其Kp1分别为0.01039 mg2·cm-4·h-和0.060746 mg2·cm-4·h-1，Kp2分别为0.01393 mg2·cm-4·h-1和0.014994 mg2·cm-4·h-1。通过XRD、扫描电镜(SEM)和能谱分析(EDS)研究了合金的表面氧化物生成的组成和形貌，表面形成了一层致密的氧化物宝华保护膜，从合金断面观察，可以看到氧化膜较薄，其成膜较快。该高温合金是具有耐氧化性能，抗腐蚀性能良好，高温合金是广泛应用在航天.航海发动机领域的具有特殊性能的合金。

关键词：高温合金；金属材料；氧化膜；材料

第1章  引言

本项目是科研实际应用课题，金属材料的性能指标中高温抗氧化性是非常重要的。K52铸造高温合金是指已镍为基的一种合金，高温合金的恒温氧化膜[1]的性质决定了合金的未来应用方向，研究镍基高温合金氧化行为[1]，为此高温合金的恒温氧化膜成为研究者研究热点之一。

本课题以K52铸造高温合金的恒温氧化为研究目标，对比分析800 ℃-1000 ℃恒温氧化法中合金的氧化行为；通过XRD、SEM及EDS金相等表征分析[28]，评价合金在此温度区间恒温氧化腐蚀产物的组成、形态及形貌。为这些合金的进一步应用提供对比分析的理论基础及实验数据。

第2章  实验方法

2.1  试验设计

2.1.1  实验样品

合金的主要化学组成如下图表2.1 K52 合金主要的化学组成：

表2.1  K52合金的化学成分(w/%)

2.1.2  仪器设备

高温炉、坩埚、分析天平、干燥器、金相砂纸、清洗剂、镊子、托盘、坩埚钳、石棉手套、热电偶、单晶硅控温仪

2.1.3  实验方法

取8个测试点：试验时间100 h。分别在氧化时间为1 h、2 h、5 h、10h 、25 h、50 h、75 h、100 h作为氧化点。此外2 h、25 h、100 h分别作氧化层分析。为此共需27个样品。每个样品作为一个试验点，每个试验点需要三组平行数据进行分析。

2.1.4  实验步骤

1.样品的制备

样品的切割：尺寸 10mm*10mm*3mm

样品的打磨：砂纸 800#  1000#

2.样品的清洗

清洗样品的考察：

金属表面存在着油污，要除去氧化膜，才能更好地表征金属在高温下的氧化行为测定。

有机清洗剂：丙酮

碱清洗：NaOH

不清洗（因工作条件下不可能清洗合金）。将清洗后的样品吹干后放入干燥器内静止1h，称重，记录。

3.瓷舟或坩埚

重量加载增重测试,需要选择干净、无残留物的陶瓷舟或陶瓷作为标记,并用铁制书籍上的写号做好标记。将培烧后的培烧器装入一个温度高于实验容积50 ℃的锅中,在炉内放置 3 h ,培烧3 h,培烧器出炉后进行冷却和称重后及时转移到干燥器内,在天平实验室中静置1 h后进行称重。照此方法进行重复,直至前后两次插值长度不大于0.0002 g,则确定为恒重,放入干燥器内即可备用。(盖子上不需要进行培烧和称重,但必须始终保持干燥。

2.2  实验的原理

2.2.1  高温合金的国内外发展现状

根据新型高温塑料合金金属基体的不同,高温金属合金又大致可以再细分为新型铁基磁性高温金属合金、钴基磁性高温金属合金和新型镍基磁性高温金属合金这三种镍基高温金属合金,断裂之后具有一定韧性、塑性等性能基于上述性能的特点。并且这种高温合金在工业中的合金化水平很高,因此西方英美等发达国家都将其称为超合高温合金。

观察表明，在上述条件燃烧时根据方程：

可以得出，固体反应产物MO可分成下面的两个反应物：

        M       MO         O2

金属    氧化物      气体

2.2.2  预期的目的

测定K52镍基铸造高温合金在800℃－900℃的氧化动力学曲线,计算各种温度下的反应速率常数Kp及反应的激活能Qp为新材料的研制提供实验基础及理论依据。

第3章  结果与讨论

3.1  800～950℃各温度下氧化实验数据分析

根据相应实验数据测量后进行了实验数据的分析。

3.1.1  实验数据表

测定800 ℃氧化实验数据表，测定时间分别为1 h、3 h、5 h、10 h、25 h、50 h、75 h、100 h坩埚在实验前后的质量，根据公式计算其差值如图表3.1所示：

表3.1 800℃氧化实验数据表

测定900℃氧化实验数据表，测定时间分别为1 h、3 h、5 h、10 h、25 h、50 h、75 h、100 h坩埚在实验前后的质量，根据公式计算其差值如图表3.2所示：

表3.2  900℃氧化实验数据表

测定950 ℃氧化实验数据表，测定时间分别为1 h、3 h、5 h、10 h、25 h、50 h、75 h、100 h坩埚在实验前后的质量，根据公式计算其差值如图表3.3所示：

表3.3  950 ℃氧化实验数据表

3.1.2  800-950℃下氧化平均速率及合金的抗氧化等级

根据相应数据计算出在800-950℃氧化平均速率度为＝并得出在800℃为完全抗氧化、900℃为抗氧化级、950℃为抗氧化级。图3.4所示：

表3.4  抗氧化等级表

3.1.3  绘制氧化动力学曲线(Δm～t)

根据实验数据分别计算在（1 h、3 h、5 h、10 h、25 h、50 h、75 h、100 h）800-950℃氧化增重数值，并根据值绘制K52合金800℃～950℃氧化动力学曲线，表3.5，图3.1所示：

表3.5  在800～950℃下的氧化增重

图4.1  K52合金800 ℃~950 ℃氧化动力学曲线

3.2  氧化膜的分析

合金结构氧化吸附反应的一个初始制备步骤主要的就是通过利用金属气体对其他金属材料的合金表面结构进行氧化吸附。随着各种化学反反应的大量发生和不断进行,进而在各种金属合金的外层表面上都产生了可以形成一种氧化物膜的薄膜或者单独可以形成一种氧化物膜的内核。在这个关键阶段,氧化物的酸性产生和杂质形成可能会直接产生影响应用到金属合金的整体表面化学取向、结构上的缺陷、杂质和酸性试样的加工制备以及环境氧化条件等多种直接影响量的因素。所以当连续地用一个氧化铝的膜把整个合金的其他气体直接覆盖或放到整个合金的表面上时,氧化铝的膜就必然会把整个合金和其他气体之间的电子分离隔绝延展开来,要使该分离反应一直或者持续地不断延伸发展下去,必须经由中性的氢原子或者中性电子。由太阳离子对于氢氧化铝薄膜的线性固态反射扩散(离子转移)反应实现。在这些氧化条件下,迁移的氧化过程和类似气体金属合金的活性氧化物与膜和其他类似气体金属合金的活性氧化物和膜之间的相互临界氧化反应密切存在联系。

第4章 结论

K52合金在的氧化和增重反应是在800~950 ℃下进行时,反应的级数相对于接近,反应过程中遵循了抛物线的规律,即氧化和增重的均匀量平方和时间成正比。氧化速率和增重量之间呈正反比,即随着氧化膜持续时间的推移而增大,氧化薄层厚度逐渐增加,其氧化程度也就变得越来越低。所以当氧化膜的层积足够厚时,它们被氧化的速率就会变得很小,因而合金本身就具备了良好的耐腐蚀和抗氧化性能。

参考文献

[1] 张玺,刘刚,肖靖, 等. NiAl-31Cr-3Mo共晶合金的高温氧化行为[J].全面腐蚀控制,2021,35(02):74-77.

[2] 李赛. GH600热变形行为及显微组织分析[D].辽宁科技大学,2012.

[3] 王复利. 一种镍基合金高温氧化和热腐蚀特性研究[D].沈阳理工大学,2016.

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