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《纳米晶金属料的高温腐蚀行为.doc》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、纳米晶金属材料的高温腐蚀行为大多数金属材料暴露在高温氧化环境中，不可避免热生长氧化膜.具有保护性的氧化膜必须致密、热稳定性佳、生长速率慢.常见保护性氧化膜为Al2〇3和Cr2〇3.其中Cr2〇3在低于1000°C和丨丨型热腐蚀(700~800C)条件下具有良好的抗高温腐蚀性能，而Al2〇3在高于1000C和丨型热腐蚀(800~950C)条件下具有良好的抗高温腐蚀性能[1,21.但是,多数高温结构材料(如耐热钢和高温合金)，山于Cr,Al含量的限制(高含量影响蠕变性能和高温强度等),在服役环境中不能形成Cr2〇3或Al2〇3氧
2、化膜.欲提高这些材料的抗高温腐蚀性能,通常施加高Cr高Al金属涂层[31,典型的有扩散涂层(渗Cr[4~61、渗Al[71,Cr-Al共渗181涂层)和M-Cr-Al-Y型涂层(M为Fe,Co,Ni或其组合)肌91.后一类涂层一般采用物理气相沉积(PVD)11。1和热喷涂1111等方法制备.纳米晶化是区别于提高Cr和Al量而促使金属材料热生长保护性氧化膜的另一途径.Giggins和Pettit1121于上世纪60年代末发现，Ni-Cr合金晶粒细化利于Cr2〇3生长.Wang和Lou[131在80年代末也发现涂层微晶化易促进保
3、护性氧化膜形成(其实为纳米晶化，但当时的表征水平尚未深入至纳米尺度).此后，合金通过纳米晶化来实现防护的研究被广泛报道[141.合金纳米品化主要米用PVD和机械方法.普通合金靶材通过PVD被蒸发或轰击出的原子在样品基体上沉积,获得化学成分与母合金相似的纳米品合金(垂直于沉积方向的为纳米等轴品，而平行于沉积方向的一般为柱状品).一些合金也可通过喷丸[15]、研磨_7]等机械方法剧烈塑性变形而纳米品化.PVD可沉积纳米品涂层,而机械方法可对合金表层进行纳米品化改性.机械合金化[18]可制备纳米品块体材料.磁控滅射是PVD沉积抗高
4、温腐蚀纳米品涂层中最常见的方法[14].近来文献[19~22]报道了山电化学沉积技术可制备出抗高温腐蚀性能佳的纳米品涂层.众所周知，抗高温腐蚀性能主要取决于两方面：(1)氧化膜生长(或与环境介质反应)速率；（2)氧化膜与金属基体的界面结合力.研究表明，纳米品合金与普通粗品的相比抗高温腐蚀性能提高的原因在于：Cr和AI可选择性氧化形成Cr2〇3或Al2〇3膜,且氧化膜黏附性好.为此,本文根据相关研究结果和进展,就金属材料纳米品化如何促进选择性氧化及提高氧化膜的黏附性进行简要评述.1纳米晶化与氧化行为纳米品化的明显优势是促使非保
5、护性氧化膜生长型的、含Cr或(和)AI低的金属材料发生选择性氧化,从而显著降低其氧化速度.比如，对于Ni-Cr二元普通粗品合金,热生长Cr2O3膜所需的临界含量为20%(质量分数,下同)[23],但是,其纳米品化后，该临界含量可降低10%甚至更多_].再如，Ni-Cr-AI二元合金热生长Al2〇3膜时，Cr含量一般为18%~22%,AI含量在8%~12%[9],远超Ni基高温合金中的Cr和AI水平,而Ni-5Cr-5AI纳米品合金氧化时就能够形成Al2〇3膜[24].但是,如果金属材料不含Cr和AI或者二者含量都过低，例如纯
6、金属和低合金钢等,纳米品化因不能促进保护性氧化膜的形成,反而促进非保护性氧化膜的生长[W9>27].研究[a1W22]表明,纳米品金属材料发生选择性氧化,不仅与Cr或(和)AI含量有关，也与二者在金属中的分布情况有关.下面就此进一步说明.1.1基本理论基于Wanger理论[28],二元单相合金中的Cr或AI发生选择性氧化,形成连续的Cr2〇3或Al2〇3氧化膜所需的临界含量N:可山下式表示：N*_(7、分别为氧化物和金属的摩尔体积，DO和Dm分别为Cr(或AI)在金属中的扩散系数.显然，Dm提高可降低N:'.品界是原子的“短路”扩散通道,纳米品金属中因大量品界存在而极大提高Dm.后者可山有效扩散系数Deff表示,它是品界扩散系数(Dgb)和品格扩散系数(D
8、)之和：Deff=(l—f恥+D(2)式中，f为品界体积分数.若品粒为简单立方形，贝IJf=2dd(d为品界宽度，d为品粒尺寸).若Dsh>>D,,则山式⑴和(2),可获得N*与d和Dgh的关系式[29,30],N:=职+fDgh)-,/2(3)式中，A=(ngN0从凡
9、/(2#」)1/2.图1为山式(3)给出的选择性氧化的临界含量和品粒度的关系曲线图.当Dgb/Di>>100时，品粒度山10mm减至1mm,100nm和10nm时，疋可分别降低约5%,30%和75%.可见，当d减至纳米尺寸，N'm降低程度更显著.对于多元多相合金体系,成膜元素选择性氧化的临
