Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Окисление и коррозия дисперсноупрочненных жаропрочных сплавов

28.01.2020

Дисперсноупрочненные сплавы были впервые разработаны как материалы для лопаток газовых турбин. Поэтому при изучении воздействия на эти сплавы внешней среды основное внимание уделялось высокотемпературной (сульфидной) коррозии и высокотемпературному окислению.

Срок службы нагруженной детали газовой турбины может ограничиваться не столько длительной прочностью материала, сколько его коррозионной стойкостью. Это особенно справедливо для наземных промышленных турбин, детали которых не всегда удается защищать надежными покрытиями. В этом случае в какой-то мере необходимо рассчитывать на собственную стойкость сплава к окислению и коррозии. Ho даже если лопатка имеет покрытие, срок его службы, как правило, зависит от коррозионной стойкости сплава-основы.

Окисление — это непосредственное превращение металла в оксид, приводящее к уменьшению поперечного сечения детали и, тем самым, ее несущей способности.

Высокотемпературная коррозия — это интенсивное разрушение поверхности сплава, которое может иметь место при 760—1000 °C и обусловлено воздействием Na2SО4, находящегося в жидком состоянии. Механизмы этих процессов обсуждаются в целом ряде работ, в которых читатель сможет найти интересующие его подробности.
Окисление и коррозия дисперсноупрочненных жаропрочных сплавов

На рис. 7.69 схематически показана зависимость скоростей коррозии и окисления от Т. Никелевые жаропрочные сплавы можно разделить на две группы в соответствии с количеством содержащегося в них Cr. Сплавы с низким и средним содержанием Cr (10—15%) окисляются при высокой T с образованием Al2O3 Они обладают хорошей стойкостью к окислению, но низкой коррозионной стойкостью. На сплавах с высоким содержанием Cr образуются пленки Сr2О3, более стойкие к коррозии, но менее надежно защищающие сплав от окисления, что обусловлено превращением Сr2О3 в летучий окисел CrO3. Температурный интервал коррозии зависит от среды и состава сплава.

Стойкость дисперсноупрочненных сплавов к окислению и коррозии (экспериментальные данные). На рис. 7.70 сравнивается коррозионная стойкость двух промышленно выпускаемых дисперсноупрочненных сплавов со стойкостью ряда обычных сплавов. Данные взяты из рекламных проспектов фирмы «Inco alloys». На рис. 7.71 и 7.72 приведены аналогичные данные из других источников. Испытания проводились с помощью горелки. Еще одна серия результатов, полученных NASA, представлена на рис. 7.73. Рис. 7.74 и 7.75 иллюстрируют стойкость различных дисперсноупрочненных сплавов к окислению («Inco alloys» и NASA). Данные различных исследователей хорошо согласуются между собой.

Суммируя эти результаты, можно сказать, что дисперсно-упрочненный сплав на железной основе МА956 обладает прекрасной стойкостью к коррозии и окислению. Коррозионная стойкость никелевых сплавов МА6000 и МА754 также достаточно высока и соответствует содержанию Cr в сплаве, что несколько неожиданно, поскольку предполагалось, что определяющую роль будет играть содержание дисперсной оксидной фазы.

Влияние дисперсных оксидов и размера зерна на стойкость к окислению и коррозии. Многочисленными исследователями показано, что дисперсные оксиды повышают стойкость к окислению никельхромистых и железохромистых сплавов. Величина этого эффекта в сплавах, образующих при окислении Cr2O3, уменьшается с повышением суммарного содержания Al и Ti. В сплавах, образующих преимущественно Al2O3, улучшение заметно лишь при циклическом окислении, а в изотермических условиях отсутствует. По-видимому, в сплавах с большим содержанием Al наличие дисперсных оксидов способствует более прочной связи оксидного слоя с поверхностью матери ала, и именно этим (а не уменьшением скорости роста оксидного слоя) обусловлено повышение стойкости к циклическому окислению Изучалось влияние большого числа различных оксидов, в том числе Y2O3, La2O3, TiO2, SiO2, ThO2, Al2O3, Cr2O3 и LiO2. Xoтя вопрос о степени положительного влияния каждого из оксидов остается спорным, наиболее полезным следует по-видимому, считать La2O3

Исследователи по-разному объясняют малую скорость окисления дисперсноупрочненных сплавов. Стринджер и др. предположили, что дисперсные частицы оксидов, находящиеся на поверхности, служат центрами зарождения оксидных фаз, тем самым сокращая время, необходимое для образования непрерывной пленки Сr2О3. Джиггинс и Петти провели серию экспериментов, в которых попытались сравнить механизмы роста оксидной пленки на сплавах TD-NiCr и Ni—30Сr (рис. 7.76). На поверхность образцов, подвергавшихся окислению, предварительно помещались платиновые метки После окисления метки в сплаве Ni-30Сr были обнаружены у поверхности раздела оксид—газ, а в сплаве TD NiCr — вблизи поверхности раздела металл—оксид Положение меток зависит от соотношения скоростей диффузии компонентов, участвующих в процессе окисления, т е ионов Cr3+, диффундирующих из сплава на поверхность, и ионов O2 - диффундирующих в обратном направлении Очевидно в сплаве N1 - 30Сr преобладает диффузия Cr3+, а в сплаве TD-NiCr — диффузия О2-. Поскольку скорость роста оксидной пленки на TD-нихроме меньше, это различие в соотношениях скоростей диффузии должно быть обусловлено замедлением диффузии Cr3+ по сравнению с диффузией О2-. Джиггинс и Петти объясняют этот эффект блокирующим действием дисперсных оксидов, находящихся в слое Сr2О3. Другое объяснение снижению скорости диффузии ионов Cr3+ дает Мичелз. Проникновение в оксидный слой трехвалентных ионов иттрия, лантана и т. п. при растворении в нем оксидных частиц приводит к уменьшению числа катионных вакансий, чем и обусловлено замедление диффузии Cr3+.

Как уже говорилось ранее, дисперсные оксиды положительно влияют также и на прочность связи оксидного слоя с поверхностью сплава. Отчасти это может быть просто следствием малой толщины слоя, которая позволяет ему расширяться совместно с матрицей. Существует, однако, и ряд других факторов, способствующих согласованию деформаций слоя и матрицы при их термическом расширении и сжатии (пористость, уменьшение размера зерна оксидного слоя). Возможно также механическое закрепление оксидного слоя на поверхности сплава дисперсными частицами.

Размер зерна дисперсноупрочненного сплава оказывает отчетливо выраженное влияние на скорость его окисления. Джиггинс и Петти установили, что мелкозернистые сплавы, содержащие от 10 до 30% (по массе) Cr, окисляются медленнее, чем крупнозернистые, что связано с селективным окислением Cr по границам зерен, приводящим к более раннему образованию непрерывного защитного слоя Сr2О3. Эксперименты с применением метода меченых атомов показали повышение коэффициента диффузии Cr при увеличении размера зерна. Флоуэру и Уилкоксу удалось продемонстрировать избирательное окисление Cr по границам зерен прямым наблюдением процесса в высоковольтном электронном микроскопе. Как показали Губер и Гессингер на примере дисперсноупрочненного сплава 1N738, уменьшение размера зерна улучшает не только стойкость к окислению, но и коррозионную стойкость.

Покрытия на дисперсноупрочненных сплавах. Прочность существующих в настоящее время дисперсноупрочненных сплавов позволяет повысить рабочие температуры деталей или сроки их службы. Однако воздействие на них агрессивной рабочей среды при этом усиливается, и в большинстве случаев оказывается необходимым применять дополнительную защиту деталей при помощи покрытий.

Алюминидные покрытия, по-видимому, неприменимы для долговременной защиты дисперсноупрочненных сплавов Окисление при 1100—1180 °C дисперсноупрочненных сплавов сопровождалось образованием большего, чем в литых сплавах количества поверхностных пор (эффект Киркендалла), что приводило к быстрому отслаиванию защитного слоя. С повышением содержания Al в сплаве-подложке склонность к образованию пор уменьшалась. Причины повышенной склонности дисперсноупрочненных сплавов к образованию поверхностных пор остаются пока неясными.

Поры образуются также при окислении дисперсноупрочненных сплавов без покрытия. Было замечено их образование и в отсутствие дисперсных оксидов. Ho в нерекристаллизованных или относительно мелкозернистых дисперсноупрочненных сплавах пористость не наблюдалась. В связи с этим было высказано предположение, что появление пористости обусловлено не присутствием дисперсных частиц, а большим размером зерна. В мелкозернистом материале границы зерен могут действовать как стоки вакансий и этим предотвращать образование пор. Интересно отметить, что при полировке образцов сплава МА754 в них также образуются поры, что указывает на необходимость дальнейшего изучения этого вопроса.

Имеется лишь весьма ограниченный опыт нанесения покрытий типа MCrAlY на дисперсноупрочненные сплавы. Авторы работы не встретили каких-либо особых трудностей при нанесении на сплав МА755Е покрытия из NiCrAlY. Изменение массы в результате коррозии и окисления при испытании в потоке продуктов сгорания при значении числа Маха, равном 3, для этого сплава и для сплава IN792 с тем же покрытием было одинаковым. Большой интерес представляет разработка вспомогательных покрытий, играющих роль диффузионных барьеров, которые препятствуют преждевременному обеднению основного защитного покрытия Cr и Al. Новый подход к проблеме предложили Гедвилл и др. Методом плазменного напыления они наносили на сплав диффузионностойкий слой кермета (механически легированный сплав NiCrAlY+Y2O3).

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: