高温水蒸气中稀土对T91钢富铬氧化膜形成和演化的作用机理研究

本项目选取几种不同种类、不同粒径的稀土氧化物、优化预处理工艺参数，在T91钢表面获得抗高温水蒸汽氧化性能优异的富Cr氧化膜；研究高温水蒸汽下稀土预处理过程中Cr2O3晶粒的形成和生长过程，确定稀土在促进T91钢表面形成富Cr2O3氧化膜的作用机理；通过研究"孕育期"稀土对氧化膜中离子扩散的影响，阐明稀土在氧化膜演变过程中的作用机制；研究失稳氧化期氧化膜微观结构、组成的信息，建立失效模型，从而揭示稀土对T91钢富铬氧化膜形成和演化的作用机理。项目的开展对阐明高温水蒸汽特殊环境下的"活性元素效应"具有理论意义，同时对发展T91钢抗高温水蒸汽氧化处理技术具有一定的实用价值。

火力发电锅炉过热器和再热器在服役过程中受到高温水蒸汽氧化和腐蚀。T91作为火力发电厂锅炉管材具有优良的物理和力学综合性能，如低热膨胀系数、高蠕变强度、良好的耐腐蚀和热加性能。研究表明，高温水蒸汽环境下其氧化膜由内、外两层组成，多孔外层为氧化铁，内层为含铬的氧化物层。长期运行过程中氧化皮会开裂和剥落并导致锅炉系统潜在的运行危险。本项目围绕高温水蒸汽环境下T91钢形成抗水蒸汽腐蚀富铬氧化膜和抑制Fe向外扩散开展了研究：取得的主要成果如下：.(1)在T91钢进行表面涂覆纳米稀土氧化物预处理，研究预处理对T91钢在90%Ar+10%H2O气氛中650℃和700℃下氧化行为的影响。结果表明，纳米稀土粒子促进Cr向外扩散并形成富Cr氧化膜，阻止Fe离子向外扩散，显著降低氧化速度。提高了T91钢抗高温水蒸汽氧化性能。但经过长时间的高温水蒸汽氧化后，Cr逐渐消耗，富铬氧化膜退化导致T91钢快速氧化。.(2)研究了T91钢在90%Ar+10%H2O气氛中750℃的初期氧化行为。结果表明，T91钢在氧化初始阶段表面生成了一层由Cr2O3、(Fe,Cr)2O3和FeCr2O4组成的富Cr氧化膜，阻止了氧向内扩散和铁向外扩散，导致初期氧化速率低。随着Cr不断被消耗，贫铬区Fe离子快速向外扩散，形成氧化铁层。.(3)研究喷丸处理对T91钢在90%Ar+10%H2O气氛中700℃下氧化行为的影响。结果表明，由于T91钢中含Cr量低，喷丸处理不能促进富Cr氧化膜形成。.(4) 在T91基材上制备的NiCrAl复合涂层。在900℃循环氧化了48小时。研究结果表明，致密的氧化膜主要由NiO、NiCr2O4、Al2O3和Cr2O3组成。样品表面含有较高的氧化铝，铁未扩散到涂层表面，复合涂层在高温下对T91钢具有良好的保护作用。.通过上述研究获得了纳米稀土在T91钢表面形成富铬氧化膜的机理和退化机制；发现了T91钢初期氧化过程中富铬氧化膜形成及其退化机理；证实了通过喷丸无法获得富铬氧化膜；制备了抗氧化性能良好的Ni/Cr涂层。上述研究对T91钢的高温防护有意义。