不銹鋼高溫氧化

1、LOGO不銹鋼高溫氧化第一頁，共30頁。LOGO摘要摘要高溫條件下，在不同的O2壓力和是否有水蒸氣存在時，研究了AISI 304和AISI 439鋼的氧化。在高的氧化壓力下，超過850時，AISI 439鋼具有更高的抗氧化性；在較低的氧氣壓力下，AISI 304鋼具有較高的抗氧化性。通過將氧化反應(yīng)常數(shù)的理論計算值與實際值的比較，探討不銹鋼氧化產(chǎn)生Cr2O3的生長動力學(xué)是否受氧或（和）鉻的擴散所控制。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行第二頁，共30頁。LOGO目錄1 前言前言 2 實驗設(shè)計實驗設(shè)計3 實驗結(jié)果實驗結(jié)果4 分析討論分析討論5 結(jié)論結(jié)論紙上得來終覺淺，絕知此

2、事要躬行紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行第三頁，共30頁。LOGO1 前言 紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行 不銹鋼表面形成的氧化鉻保護層有效降低了不銹鋼的高溫腐蝕。AISI 304奧氏體不銹鋼在傳統(tǒng)方面有廣泛應(yīng)用。鐵素體不銹鋼： 價格更加低廉（不含鎳或含鎳量很?。?膨脹系數(shù)更小第四頁，共30頁。LOGO2 實驗設(shè)計紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行第五頁，共30頁。LOGO1 前言紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行在本次研究實驗中： 奧氏體不銹鋼（AISI 304）的高溫氧化行為與含Cr 17%（加入Ti和Nb）鐵

3、素體不銹鋼（AISI 439）的高溫氧化行為進行對比。 在850950范圍內(nèi)在不同的環(huán)境氣氛（純O2、空氣、空氣-H2O、Ar-H2- H2O的混合氣四種）下研究兩種鋼的抗氧化性。第六頁，共30頁。LOGO2 實驗設(shè)計紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行掃描電鏡（SEM）、能量色散光譜（EDX）、X射線衍射（XRD）、光電子能譜（XPS）樣品制備熱重測試樣品分析第七頁，共30頁。LOGO3 實驗結(jié)果熱重（熱重（TG）：）： 對于AISI 439鋼，氣氛對其氧化狀況基本沒有影響；而溫度越高，氧化速率越大。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行第八頁，

4、共30頁。LOGO3 實驗結(jié)果熱重（熱重（TG）：）： 氣氛不同，AISI 304鋼的氧化情況差別也比較大，特別是當(dāng)溫度在900以上時更加明顯。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行第九頁，共30頁。LOGO3 實驗結(jié)果紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行第十頁，共30頁。LOGO3 實驗結(jié)果微觀結(jié)構(gòu)與組成（微觀結(jié)構(gòu)與組成（AISI 439鋼）：鋼）： 850時，在空氣中氧化，氧化外層主要由等軸晶組成（圖3a），在空氣+H2O中氧化時還出現(xiàn)花狀結(jié)晶（sand roses，較多Cr、Mn、Ti，圖3b）。 EDX分析表明：氧化層主要由Cr和O構(gòu)成，即

5、Cr2O3，少量的Fe、Mn、Ti。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行第十一頁，共30頁。LOGO3 實驗結(jié)果微觀結(jié)構(gòu)與組成（微觀結(jié)構(gòu)與組成（ AISI 439鋼）：鋼）： 950條件下氧化后，樣品表面都出現(xiàn)了一些彎曲（圖4）；這些彎曲實際上在900有水蒸氣存在的氧化氣氛中就已經(jīng)出現(xiàn)。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行第十二頁，共30頁。LOGO3 實驗結(jié)果 微觀結(jié)構(gòu)與組成（微觀結(jié)構(gòu)與組成（ AISI 439鋼鋼）：）：a. 氧化層表面平整，并出現(xiàn)了內(nèi)部氧化，內(nèi)部的氧化物顆粒由SiO2組成。b. 在較高的H2O/O2比例下（Ar-H2-H2O

6、混合氣氛）氧化時，會出現(xiàn)一些晶須。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行第十三頁，共30頁。LOGO3 實驗結(jié)果微觀結(jié)構(gòu)與組成（微觀結(jié)構(gòu)與組成（ AISI 439鋼鋼）：）： 氧化性氣氛中水蒸氣的存在對不銹鋼氧化層中的組成沒有太大的影響。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行第十四頁，共30頁。LOGO3 實驗結(jié)果 微觀結(jié)構(gòu)與組成（微觀結(jié)構(gòu)與組成（AISI 304鋼）：鋼）：a. 氧化層在850和900時的生長具有相似的地方，氧化物薄膜是由規(guī)則的晶粒構(gòu)成的；b. 這些晶粒沿著晶界區(qū)域會變厚。EDX分析：氧化層富含鉻和氧，并含有大量的錳（10%15%）

7、和一些硅。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行第十五頁，共30頁。LOGO3 實驗結(jié)果 微觀結(jié)構(gòu)與組成（微觀結(jié)構(gòu)與組成（AISI 304鋼）：鋼）： 950下氧化后，在外表面觀察到兩種形式的氧化物組織：a. 剝落區(qū)域是小的規(guī)則晶粒（氧化鉻晶粒）；b. 未剝落區(qū)域是粗大的氧化物組織（含鐵的氧化物），尤其是在樣品的邊緣和外圍部分。 大量研究表明，有小的氧化鉻晶粒的區(qū)域似乎與碎片區(qū)域是對應(yīng)的，很可能是在冷卻過程中出現(xiàn)的。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行第十六頁，共30頁。LOGO3 實驗結(jié)果微觀結(jié)構(gòu)與組成（微觀結(jié)構(gòu)與組成（AISI 304鋼）：鋼）

8、：a. 在較高的H2O/O2比例（Ar-H2-H2O混合氣體）氣氛氧化，晶須很多，尤其沿晶界形成的“氣泡”上，并富含Cr和Mn。b. 觀察氧化物-鋼的內(nèi)界面圖像發(fā)現(xiàn)：沿著橫截面，內(nèi)界面比較卷曲，并觀察到逐漸向內(nèi)部滲透的SiO2微粒。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行第十七頁，共30頁。LOGO3 實驗結(jié)果結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)特性（特性（XRD）：）： AISI 304鋼：在950氧化時，樣品的氧化層主要是鐵的氧化物（Fe2O3）；而在其它條件下，氧化物中主要包含的是Cr2O3。 AISI 439鋼：出現(xiàn)許多小峰，由于鋼中的許多元素都不同程度被氧化，主要是Cr，還有Fe、Si、Mn

9、、Ti。因此，混合的氧化物和Cr-Fe氧化物的固溶體是同時存在的（Mn1.5Cr1.5O4和MnTiO3）。 氧化氣氛中是否有水蒸氣的存在沒有造成樣品中各元素含量的明顯變化。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行第十八頁，共30頁。LOGO3 實驗結(jié)果X射線光電子能譜（射線光電子能譜（XPS）：）： 當(dāng)X光束垂直入射于樣品表面時，分析的厚度為0.510nm。當(dāng)傾斜試樣減小角度時，分析深度更小。因此，所獲得的信息來自于氧化膜的最外層。 在幾乎所有的情況下，必須考慮到鉻的兩種形式，以重建實驗的鉻峰。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行第十九頁，共30頁

10、。LOGO3 實驗結(jié)果X射線光電子能譜（射線光電子能譜（XPS）：）： 在AISI 439鋼中的鉻峰比304鋼中更強，這是由于AISI 304鋼中鐵的氧化物的存在。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行第二十頁，共30頁。LOGO3 實驗結(jié)果X射線光電子能譜（射線光電子能譜（XPS）：）：錳的三種存在形式：第一強峰對應(yīng)于Mn2+（即MnO化合物）；第二強峰對應(yīng)于固定在混合氧化物（Mn1.5Cr1.5O4和/或 MnTiO3）中的Mn；最后一個峰對應(yīng)于附屬物。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行第二十一頁，共30頁。LOGO3 實驗結(jié)果X射線光電子能

11、譜（射線光電子能譜（XPS）：）： 在304鋼被氧化的表面沒有檢測到Ti，卻大量存在于439鋼的外表面（圖d）。 與之前的結(jié)果一致，950 C氧化時，鐵存在于304鋼外表面，并隨水蒸氣的增加其含量也增加（圖e）。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行第二十二頁，共30頁。LOGO3 實驗結(jié)果X射線光電子能譜（射線光電子能譜（XPS）：）： 439不銹鋼在空氣中950氧化，使光束與樣品呈40進行分析，Ti-Mn氧化物（MnTiO3）是位于氧化層的外表面，而氧化鉻和Mn-Cr氧化物在Ti-Mn氧化物的下面。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行第二十三頁

12、，共30頁。LOGO4 分析討論紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行第二十四頁，共30頁。LOGO4 分析討論氣氛對材料氧化機制和耐高溫性氣氛對材料氧化機制和耐高溫性能的影響：能的影響： AISI 439鋼而言，無論氧化氣氛如何，活化能在230到250kJ/mol-1之間，所有這些結(jié)果都支持保護性氧化鉻膜的形成，并且其生長動力學(xué)與氧壓和水蒸氣的形成無關(guān)。 對于850的AISI 304鋼，在一定的氧壓和水蒸氣存在下，隨著溫度的升高氧化會變快（圖1c）。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行第二十五頁，共30頁。LOGO4 分析討論氣氛對材料氧化機制和

13、耐高溫性能的影響：氣氛對材料氧化機制和耐高溫性能的影響： 不銹鋼在水蒸氣中的氧化機制有不同的解釋，大多數(shù)認為：在這種氣氛下，當(dāng)溫度超過850時，AISI 304鋼的氧化行為與氧化鉻保護膜完整性的缺失有關(guān)，而氧化鉻保護膜完整性的缺失與揮發(fā)或開裂有關(guān)。 但在本實驗中，也不能認為水蒸氣與氧化膜的缺失有關(guān)，因為在純氧氣氣氛和水蒸氣-空氣的氣氛下有著相似的氧化速率。大量水蒸氣的存在促進了晶須的形成。并且水蒸氣存在時，似乎Si的氧化變得容易。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行第二十六頁，共30頁。LOGO4 分析討論紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行第二

14、十七頁，共30頁。LOGO4 分析討論氣氛對材料氧化機制和耐高溫性能的影響氣氛對材料氧化機制和耐高溫性能的影響 zc和za分別為陰離子和陽離子的化合價，Dcat和DO表示的是由Deff = (1f)Db + fDgb 給定的擴散系數(shù)，這里的Db與體擴散相關(guān)，Dgb與晶界擴散相關(guān)，f是在晶界擴散中原子擴散所占的比例。 由 得到kP 。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行第二十八頁，共30頁。LOGO5 結(jié)論AISI 439鋼在1atm下，在850950，不同的氧化氣氛中表現(xiàn)出了良好的抗氧化性；AISI 439鋼的氧化動力學(xué)遵循拋物線規(guī)律，氧化膜生長受擴散速度的控制；氧化物主要由Cr2O3組成；并且在較低的溫度下，有水蒸氣存在時觀察到晶須，鋼-氧化物的內(nèi)界面非常平直，硅結(jié)節(jié)和內(nèi)部硅的氧化反應(yīng)是非常顯著的。紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行第二十九頁，共30頁。LOGO5 結(jié)論AISI 304鋼中，拋物線動力學(xué)是在較低的氧氣壓力（Ar-H2O-H2