表面改性GH2135合金高温腐蚀性能分析.pdfVIP

毕叶纪纪(上篇)

表面改性GH2135合金的高

科目

温腐蚀性能研究

摘要

一般情况下，热腐蚀是一个自由能降低的过程，是自发的。在腐蚀的过程中，部

分金属会流失，材料性能降低，最终导致材料失效，从而造成巨大的经济损失。对于

高温条件下使用的材料，无论是设计上的选材，还是运行上的安全性，都需要研究防

腐的方法。

通过600℃、650℃和700℃的热腐蚀实验，研究了表面改性后GH2135合金的低温

热腐蚀行为，并通过电镜和扫描电镜的表面观察和分析，探讨了GH2135合金的低温热

腐蚀机理。实验结果表明，GH2135合金中加入了大量的Ni、Cr、Mo、B、al、Ti等合

金元素，显微组织和形貌发生了明显的变化，包括γ奥氏体的枝晶轴和枝晶中富集了

部分合金元素，硼化物(M3B2相)和γ相的共晶成分。热处理后共晶组织增多，合金晶

界处形成M3B2和tic二次颗粒。合金的相结构变化相应影响低温热腐蚀机制；GH2135

合金总腐蚀重量的动力学曲线基本符合抛物线规律。在650℃腐蚀100h时，合金表面

膜出现少许剥落，腐蚀温度进一步升高，剥落现象变得严重。合金在热腐蚀过程中出

现贫铬现象，即Cr2O3在腐蚀过程中形成挥发性物质，在合金表面形成铁等未受保护

的氧化膜。

关键词:表面改性；高温腐蚀；GH2135

第一章导言

1.1GH2135的开发背景

高温合金具有良好的高温强度和耐腐蚀性能、优异的抗疲劳和抗蠕变性能、优异

的断裂能和显微组织稳定性，是现代国防建设和国民经济发展不可替代的关键材料。

随着航空航天工业的快速发展，为了满足燃气涡轮发动机的高推重比、高压比和高涡

轮前温度三大要求，对高温结构材料的要求也越来越高[1]。

高温合金是一种以铁为基础，加入多种元素的合金，以提高其高温力学性能和耐

高温腐蚀性能。与镍基和钴基高温合金相比，高温合金是一种广泛应用于国防、能源、

航空和核反应的高温结构材料。GH2135合金作为我国首创的涡轮盘高温合金，是我国

自主研发的铁基沉淀强化高温合金中最早、最大、应用最广、研究最深入的合金。它

在中国高温合金发展史上占有非常重要的一页。它对我国高温合金，特别是高温合金

的发展起到了不可磨灭的推动作用。它的研制成功对我国高温合金人才的培养也起到

了非常重要的作用。GH2135合金的研制获得了1978年美国国家科学会议重要科研成果

奖。70年代，大量制造了WP-6、WP-6A发动机的一、二级涡轮盘，1000多架战斗机、

攻击机装备并投入战场使用，其中300多架是外国援助的。这在当时是一个值得称赞

的奇迹。

1.2合金的热腐蚀机理

高温腐蚀包括高温氧化腐蚀、钠硫腐蚀、碳腐蚀、钒腐蚀和冲蚀。除高温氧化腐

蚀外，其余统称为热腐蚀。合金的热腐蚀是指高温气体中的含硫燃料和盐环境中燃烧

沉积在表面的硫酸盐引起的加速氧化现象。它对合金高温零件的损伤比单纯的高温氧

化要严重得多[3，4]。

这里从酸碱熔融机理、氯化钠腐蚀机理、硫酸钠和氯化钠综合腐蚀机理三个方面

介绍热腐蚀机理。

1.2.1热腐蚀的酸碱熔融机理

热腐蚀的酸碱熔融机理目前已被很多人接受，最早由博恩施泰因等提出，根据该

模型，热腐蚀过程中，金属或合金表面形成的保护膜不断溶解在沉积的液态熔盐中，

导致腐蚀加速。关键是氧化膜在熔盐中的溶解度。

如果在合金表面形成Al2O3膜，可能存在以下反应:

Al2O3+O2-=2AlO2-

当熔盐中存在氧离子活性梯度时，Al2O3膜溶解在氧离子活性高的氧化物/熔盐一

侧，然后在熔盐/气体界面析出。此时，Al2O3不受保护。另外，如果产生Al2S3，

Al2O3的快速氧化可能会加速整个热腐蚀反应。当Cr2O3在NiAl基合金的表面上形成

时，会发生以下情况:

Cr2O3+2O2-+3/2O2=2CrO42-

该反应降低了熔盐中氧离子的活性，并抑制了NiO的溶解。同时，硫酸钠中氧离

子的活性不会太