材料腐蚀与防护高温 热腐 蚀7.ppt

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1、本章主要内容高温氧化及分类金属高温氧化的热力学金属高温氧化形成氧化物的结构及性质金属高温氧化动力学影响金属氧化的因素金属高温抗蚀性合金氧化及抗氧化性高温热腐蚀高温氧化防护第七章金属与合金的高温氧化第一节什么是高温氧化？1.高温氧化在高温条件下，金属与环境介质中的气相或凝聚相物质发生化学反应而遭受变质或破坏的过程，亦称高温腐蚀。高温是相对的，与材料的熔点和活性有关。例如：α-Fe熔点为909℃,450℃以上为高温；Al熔点为660℃,200℃以上为高温；Β-Ti熔点为1660℃，500℃以上为高温；一般认为，金属在某一温度下发生了明显的氧化反应，那么这一温度对这种金属材料的氧化而言就属高温。高温

2、氧化示意图：界面反应：介质直接和金属表面作用2.高温氧化的分类（1）气体介质（干腐蚀）（2）液体介质（热腐蚀）（3）固体介质（磨蚀或冲蚀）3.高温腐蚀危害及意义事例一航空发动机叶片，燃气轮机（复杂气氛：高温氧、硫，磨蚀）事例二原子反应堆热交换器（高温水）事例三石油蒸馏（硫化）主要涉及的方面：(1)在化学工业中存在的高温过程.如:生产氨水和石油化工等领域产生的氧化。(2)在金属生产和加工过程中.如:在热处理中碳氮共渗和盐浴处理易于产生增碳、氮化损伤和熔融盐腐蚀。(3)含有燃烧的各个过程.如:柴油发动机、燃气轮机、焚烧炉等所产生的复杂气氛高温氧化高温高压水蒸气氧化及熔融碱盐腐蚀。(4)

3、核反应堆运行过程中．(5)在航空航天领域。如：宇宙飞船返回大气层过程中的高温氧化和高温硫化腐蚀，以及航空发动机叶片受到的高温氧化和高温硫化腐蚀。危害性：造成大量金属的耗损高温腐蚀使许多金属腐蚀生锈，破坏了金属表面许多优良的使用性能，降低了金属横截面承受负荷的能力。使高温机械疲劳和热疲劳性能下降。意义：1）有助于认识各种金属及其合金在不同环境介质中的腐蚀行为。2）掌握腐蚀产物对金属性能破坏的规律。3）有助于进行耐蚀合金的设计，并能正确选择防护工艺和涂层材料来改善金属材料的高温抗蚀性，减少金属的损失，延长金属制品的使用寿命，提高生产企业的经济效益。4.高温氧化理论■高温氧化研究内容热力学、

4、动力学、氧化产物性质■高温氧化的形成机制高温氧化物的形成过程和组织结构特征■合金的高温腐蚀合金高温氧化的特点第二节金属高温氧化的热力学2.1金属高温氧化的可能性通式：根据Vanthoff等温方程式：得到：其中：------给定温度下的MeO2的分解压(平衡分压)；------给定温度下的氧分压；R----------气体常数。在T温度下的标准自由能变化值(,即金属氧化物的标准生成自由能：氧化-还原条件：根据值分析金属氧化的倾向大小金属氧化物在1000℃下的值2.2金属氧化物的高温稳定性1）平衡图------判断金属氧化的可能性。应用：（1）判断金属氧化物的稳定性。值愈负，则该

5、金属的氧化物愈稳定，即图中线的位置愈低，它所代表的氧化物就愈稳定。（2）同时它还可以预测一种金属还原另一种金属氧化物的可能性。（3）可以直接读出在给定温度下金属氧化物的平衡氧压、标准自由能变化值。2）金属氧化物的蒸汽压当固体氧化物的蒸气压低于该温度下相平衡蒸气压时，则固体氧化物蒸发。蒸气反应中蒸气压与标准自由能的关系与上述氧化、还原反应相同：蒸气压与温度关系可用克拉伯隆（Clapeyron)方程式表示：其中---标准摩尔熵；V---氧化物摩尔体积；---标准摩尔焓。当固相与气相的体积比可以忽略，及把蒸气近似当作为理想气体处理，上式可以变化为因温度变化很小，可看作常数，积分后得到：可见：

6、蒸发热愈大，蒸气压愈小，固态氧化物愈稳定。一般地，热力学分析可以说明纯金属发生氧化的倾向和形成的稳定的氧化物相；对合金氧化而言，热力学分析只能说明不同合金元素对氧亲和力的大小。3）金属氧化物的熔点一些金属氧化物的熔点低于该金属的熔点。合金氧化时，往往出现两种以上的金属氧化物。当两种氧化物形成共晶时，其熔点更低。第三节金属氧化膜形成3.1氧化膜的形成过程：(1)吸附（2）形核（3）晶粒长大氧化膜形成和发展的决定因素：(1)界面反应速度（氧化初期的主要控制因素）包括金属-氧化膜界面及气体-氧化膜界面上的反应速度。(2)参加反应的物质通过氧化膜的扩散速度（氧化中后期主要控制因素）当氧化膜很薄时，反应

7、物质扩散的驱动力是膜内部存在的电位差；当膜较厚时，将由膜内的浓度梯度引起迁移扩散。3.2氧化膜的生长方式：在氧化膜的生长过程中，反应物质传输的形式有三种：a）.金属离子单向向外扩散，在氧化膜-气体界面上进行反应，如铜的氧化过程；b）氧单向向内扩散，在金属-氧化膜界面上进行反应，如钛的氧化过程；c)金属离子向外扩散，氧向内扩散，两者在氧化膜中相遇并发生反应，如钴的氧化反应。传输途径：反应物质