AISI304表面硅化物滲層的制備及其900℃循環氧化性能研究
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通常情況下,高溫合金含有足夠高的Al、Cr或Si,這些元素在高溫環境中發生選擇性氧化,在表面形成完整致密的Al2O3、Cr2O3或SiO2保護膜,從而賦予合金優良的抗高溫氧化性能。而文獻報道,Si、…
通常情況下,高溫合金含有足夠高的Al、Cr或Si,這些元素在高溫環境中發生選擇性氧化,在表面形成完整致密的Al2O3、Cr2O3或SiO2保護膜,從而賦予合金優良的抗高溫氧化性能。而文獻報道,Si、Cr元素共存的合金體系,比只含Si或只含Cr的體系高溫抗氧化性更佳。因為優先生成的SiO2能夠為隨后生成的Cr2O3提供更多的形核點,從而更有利于保護性氧化膜的生成。另一方面,SiO2保護層能夠進一步阻止因元素Cr由基體向外擴散而加劇的材料氧化。AISI304不銹鋼(國內牌號0Cr18Ni9)作為耐熱鋼,其使用溫度為室溫~800℃,高于800℃后AISI304將因抗氧化性能急劇下降而失效。Fe3Si具有優異的抗氧化和耐腐蝕性,但其DO3型結構,使得其因脆性問題而難以廣泛應用。利用熔鹽滲硅方法在AISI304不銹鋼表面生成一層富含Cr、Ni的Fe3Si型過渡族金屬硅化物滲層,則可以避開Fe3Si的脆性,并有望將AISI304的使用溫度提高到800℃以上,從而拓展AISI304不銹鋼的應用領域。
硅化物滲層的高溫抗氧化性能取決于滲層組織中滲層缺陷的分布與大小。傳統鹽浴滲硅溫度在1050℃左右,本文采用NaCl∶KCl∶NaF=2∶2∶1的堿金屬鹵化物混合體系為載體,其初晶溫度的平均值為587.6℃,以Na2SiF6和Si粉作為滲硅劑,以SiO2為助滲劑,在800℃下用熔融鹽法在AISI304不銹鋼表層形成了一層富含Cr、Ni合金元素的Fe3Si型過渡金屬硅化物滲層。滲層組織從缺陷帶至滲層表面,結構致密,無缺陷。本文研究了硅化物滲層在900℃下的抗氧化性能,并簡要探討了滲層在900℃下的氧化動力學機制。
實驗材料選用國內某鋼鐵集團生產的連鑄態的0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼。采用電火花切割法加工成10mm×10mm×5mm的塊狀試樣,表面經金相砂紙打磨后用無水乙醇清洗,烘干后備用。中性鹽-滲硅劑中各成分按摩爾比分別為36%NaCl、36%KCl、18%NaF、8%Na2SiF6、2%Si的配比均勻混合。將滲硅劑和中性鹽混合物裝入氧化鋁坩堝,加熱至800℃熔化,然后將準備好的不銹鋼試樣放入熔融狀態下的鹽浴中并將截好的石英管(SiO2)一端伸入坩堝底部,一端暴露在外,保溫5h后空冷至室溫,用清水洗去表面的殘鹽。循環氧化實驗在箱式電阻爐中進行。電阻爐升至設定溫度后,將試樣連同盛放樣品的瓷舟一起放入(瓷舟預先經800℃高溫烘烤直至其恒重),試樣在設定的累積氧化時間取出,冷卻至室溫后用電子天平(感量0.01mg)進行稱重。
以AISI304為基體,在800℃的鹵化物混合體系融鹽中保溫5h滲硅,得到富含Cr、Ni元素的以Fe3Si型金屬間化合物為主的滲層。滲層表層組織致密,滲層厚約600μm。滲硅試樣900℃下循環氧化過程中形成的氧化膜較為致密,氧化動力學曲線為二次拋物線型。在循環氧化的過程中,Si、Cr元素分別通過滲層滲層-基體界面進行互擴散,使得界面結合強度得到增強。900℃下循環氧化過程中Si元素由基體向外進行上坡擴散,與擴散進來的O結合成SiO2,Cr元素通過上坡擴散富集于滲層和氧化膜介面處,形成由SiO2、Cr2O3組成的內層氧化膜,其與Fe2O3組成的外層氧化膜共同構成的滲層氧化膜是滲層具有優異抗氧化性能的原因。