第三组元效应促进耐热合金预氧化膜的生成及其对高温碳腐蚀的影响

In chemical and petrochemical industries heat resistant alloys are always exposed to gas environments containing mixtures of compounds of C and O under low oxygen pressures associated with rather large carbon activities. These gases are quite aggressive to heat resistant alloys due to the occurrence of carburization and the catastrophic metal dusting. Small amounts of sulfur and coatings applied on the alloys can be beneficial against the carbon attack. However, the application of these methods were limited due to their complicated operation and high costs. Protective scales could form on alloys under pre-oxidation treatment. Therefore, this method could improve the corrosion resistance of the alloy effectively. The aim of this proposal is to develop protective Al2O3 scales on alloys by applying the Third Element Effect and by decreasing the oxygen pressure of the pre-oxidized atmosphere. We also should examine the effect of protective Al2O3 scales on the corrosion behaviors of alloys exposed to gases with high carbon activities. The investigators will try to figure out the effect of the concentrations of Cr and Al in the alloys and the oxygen pressure of the pre-oxidized atmosphere on the formation of external scales formed during pre-oxidation treatment, and try to find the best alloys composition and the optimum parameters for pre-oxidation treatment which could improve the resistance to the carbon attack to a large extent. Finally, this research will provide the theoretical basis for the composition design and the pre-oxidation process design of the heat resistant alloy with excellent carbon attack resistance under high temperature gases with large carbon activites.

传统石化气氛的碳活度较高而氧分压较低，耐热合金暴露其中常发生碳化或灾难性的粉化；向环境中引入低浓度的硫或在合金表面涂覆涂层均能有效的抑制碳腐蚀，但其操作复杂、成本较高。预氧化处理工程耐热合金，使合金表面预先生成一层完整的保护性氧化膜，能够有效的提高合金的抗腐蚀性能，且操作简单、成本低廉。本项目拟通过利用第三组元效应和改变预氧化气氛的氧分压促使低铝合金经预氧化处理后表面生成完整的氧化铝膜，并系统探究生成的氧化铝膜在合金抗高温碳化和粉化方面的应用，阐明合金中活性元素的含量和预氧化气氛的氧分压对合金表面预氧化膜形成的影响及其机制，探索能最大限度的提高合金抗高温碳腐蚀性能的合金成分和预氧化气氛，为在石化气氛中服役的工程耐热合金的成分设计及其预氧化工艺提供新思路。

工程耐热合金常服役于碳活度较高而氧分压较低的传统石化环境中。碳原子的侵入会导致合金发生碳化致其机械性能下降或者发生灾难性的粉化。为了抑制碳腐蚀，绝大部分研究都着眼于利用硫效应向环境中引入低浓度的硫或者在合金表面涂覆保护性的涂层，但这两种方法性价比较低且操作复杂。本项目力图采用操作简单的预氧化处理，使得合金表面生成保护性的氧化膜，从而提高其抗碳腐蚀性能。. 本项目的研究内容主要包括：预氧化气氛的工艺参数对合金氧化行为的影响；未经预氧化处理的合金和经过预氧化处理的合金在含碳气氛中的腐蚀行为。通过以上的研究阐明了氧分压、温度以及活性元素含量对合金表面形成预氧化膜的影响及其作用机制，并成功的使合金表面生成了完整的氧化铬膜、铬铝混合外氧化膜以及氧化铝膜；探索了不同的氧化膜对合金在含碳气氛中腐蚀行为的影响。. 当预氧化气氛的氧分压高于铁的氧化物分解压时，仅有高铝合金表面生成保护性的铬铝混合外氧化膜；当预氧化气氛的氧分压低于铁的氧化物分解压时，所有合金表面均生成保护性的氧化膜。温度的升高，促使高铬无铝及低铝合金氧化前沿铬的氧化物的生成及高铬高铝合金表面完整氧化铝膜的生成。预氧化膜的生成显著提高了合金的抗碳腐蚀性能，但是合金表面完整的氧化铬膜无法完全抑制碳原子的入侵，而铬铝混合外氧化膜则能更好的保护合金基体。. 本项目深入研究了合金成分和预氧化工艺参数对合金表面形成预氧化膜的影响及不同预氧化膜对合金抗碳腐蚀性能的影响，并提出了能最大限度保护合金免受碳侵蚀的合金成分及预氧化工艺参数，为耐热合金的成分设计及其预氧化工艺的制定奠定了坚实的工作基础。项目资助发表论文5篇，其中SCI收录4篇，中科院JCR一区论文一篇，尚有多篇论文在投。