低氧压预氧化合金表面改性热力学和动力学研究

Pre-oxidation treatment in a low PO2 atmosphere at high-temperature can effectively promote surface enrichment of alloying elements. Compact anti-corrosion oxide film will be formed on the alloy surface with the addition of a small amount of alloy element. However, basic research on the relationship between the composition of alloy, oxygen pressure, thermodynamic stability and kinetics of oxides is quite lacking. The primary oxidation phase diagram and phase stability diagram of M-Cr-Al-X-O (M=Co, Fe, Ni; X= Al, Cr, Si, Ti, RE) will be experimentally determined and thermodynamically optimized in this work, the key thermodynamic description will be obtained. Experimental investigation on the selective oxidation behaviors, morphology, and anti-corrosion of oxide film on the surface of alloy after pre-oxidation treatment will be performed. The influence of alloying element, annealing atmosphere on the oxidation diffusion mechanism and interface structure and microstructure will be investigated. Alloy composition and pre-oxidation annealing process will be optimized for excellent anti-corrosion properties. It is a foundation for developing nickel-based, cobalt-based and iron-based alloys with excellent high-temperature resistance to corrosion.

高温低氧压预氧化处理能有效促使合金元素向合金表面富集，少量的合金元素就可在材料表面形成完整致密抗腐蚀的氧化膜，有效地保护合金材料。但是，关于低氧压下合金成分、氧压与氧化物热力学稳定性及动力学等基础研究相当缺乏。本项目将实验测试M-Cr-Al-X-O（M=Co、Fe、Ni；X= Al、Cr、Si、Ti、RE）体系的初始氧化相图和相稳定图，用CALPHAD技术热力学评估这些体系，获得重要热力学参数。以此为基础，利用热力学软件分析合金成分和预氧化工艺参数对合金表面初生氧化物、氧化过程及氧化物的稳定性的影响。实验研究合金体系在不同工艺条件下的界面选择性氧化反应动力学、组织形貌和抗高温腐蚀性能，探索合金元素和退火气氛对氧化扩散机制、界面结构和显微组织的影响规律，进而优化出具有优良的抗高温腐蚀性能的合金成分和最佳预氧化退火工艺，为开发具有优良抗高温腐蚀能力的镍基、钴基和铁基合金奠定基础。

高温低氧压预氧化方法可以改变合金元素在金属材料表层中的分布、优化氧化膜的组织结构及厚度，从而提高合金的表面腐蚀抗力及稳定性。本课题研究了M-Cr-Al-X-O（M=Co、Fe、Ni；X=Al、Cr、Si、Ti、RE）合金体系的初始氧化相图和相稳定图；基于获得的热力学参数，结合初始氧化相图和相稳定图，计算分析了合金成分、氧压和退火温度对初始氧化物形成和后续氧化进程的影响，丰富了低氧压下合金体系的氧化基础数据。开展了Fe-Al-Cr合金、Co-Al-Cr合金、Ni-xCr-yAl-Si-Y合金低氧压预氧化研究；分析了Al、Cr、Si、Ti、RE、稀土元素等合金元素对低氧压预氧化膜的影响；研究了合金和氧原子扩散机制和其对表面氧化的影响；开展了低氧压选择性氧化过程的动力学分析。研究了不同镍基、钴基和铁基合金低氧压预氧化形成的氧化膜的耐高温腐蚀性能、耐熔盐腐蚀性能，优化了最佳预氧化工艺参数和合金成分。本研究为开发具有优良抗高温腐蚀能力的镍基、钴基和铁基合金奠定了基础。