Fe-Cr合金在高温高压水蒸汽氧化过程中Cr的行为和作用研究

Cr是使钢具有良好抗氧化性的主要元素，在空气环境中，Cr以形成Cr2O3保护膜而提高钢的抗氧化性；在含水蒸汽的空气环境中，Cr2O3不能稳定形成和存在，通过形成M3O4型氧化物而提高钢的抗氧化性；在高温高压水蒸汽中，铬在氧化过程的行为和作用，目前研究报导较少。本项目针对Fe-Cr合金，通过高温高压水蒸汽氧化试验，获得经不同时间氧化形成的氧化膜，运用SEM观察氧化膜的晶粒特征，测定其大小，获得氧化膜在氧化过程中晶粒形成和长大特征，分析氧化膜形成机制；运用XRD测定不同氧化时间形成的氧化膜的物相，分析氧化膜形成过程中氧化物的类型及其变化；运用EPMA/EDS测定不同氧化时间形成的氧化膜的元素含量，分析各元素在氧化过程中的含量变化，分析Cr对氧化膜中离子扩散和电子传导的影响，分析Cr参与形成氧化膜的程度，确定Cr在氧化物形核和长大的行为，Cr对氧化膜的稳定性和致密性、氧化膜膜层增厚的作用和影响。

Cr是提高钢的抗高温氧化性的主要元素，一般认为Cr通过形成Cr2O3膜层阻止进一步氧化而提高钢的抗氧化性，但是，更细致的关于Cr的行为和作用的理论却不够成熟，特别是在高温高压水蒸气条件下氧化过程中，钢中Cr的行为和作用的研究较少，尚未形成完整的理论，因此，探究Cr对于钢材高温高压水蒸汽氧化过程中的行为和作用有着重要的理论价值和实际应用价值。本研究利用自制的高温水蒸汽氧化装置进行纯Cr、Fe-9%Cr、Fe-12%Cr、Fe-18%Cr、Fe-25%Cr合金的高温氧化试验，利用SEM、XRD、EDS等方法对氧化膜进行形貌观察、物相测定、成分测定，研究纯Cr在高温高压水蒸汽条件下的氧化行为，Cr在氧化膜形核、长大、膜层增厚过程中的行为和作用，Cr对Fe-Cr合金高温高压水蒸汽氧化动力学的影响，结果显示，纯Cr在650℃水蒸汽中氧化是一个以须状氧化物形核，以片状形式长大的氧化膜形成过程，在氧化100h内以外氧化形式进行，形成富Cr缺O的Cr2O3氧化物，在氧化过程中氧化膜Cr以Cr6+的形式产生挥发；Fe-Cr合金的高温水蒸气氧化开始时，优先形成Fe的氧化物Fe2O3和Fe3O4，而Cr仅有一定量的参与，基体Cr含量越高，Cr参与的越多；Cr并不形成单独的Cr2O3；形成Fe2O3和Fe3O4使基体的Fe不断消耗，而Cr消耗较少，在基体表面形成Cr的富集，抑制氧化物的形核；随着氧化的进行，Cr不断地向氧化物中扩散，形成(FeCr)3O4复合氧化物；基体Cr含量越高，Cr参与形成(FeCr)3O4复合氧化物越多；氧化初期形成的氧化物富含金属离子，而缺乏O离子，形成O缺位氧化物；随着氧化的进行，氧化物不断获得O离子，O含量逐渐接近化学式的比例；氧化初期，主要以外氧化形式进行，氧化由O的获得控制；氧化动力学符合类抛物线规律；Cr含量增加既推迟氧化物形核，又阻止氧化物长大。