第九章 高温腐蚀.pptVIP

高温腐蚀 1. 金属高温氧化的热力学基础 2. 金属氧化膜的性质 3. 金属氧化的动力学和机理 4. 影响金属氧化速度的因素 前言 ?金属与其周围的气态存在热不稳定性，随温度升 高，不稳定性加速，引起金属与气体相互反应， 生成氧化物、硫化物、碳化物和氮化物等。 ?在高温条件下，金属与环境介质中的气相或凝聚 相物质发生化学反应而遭受破坏的过程称为高温 氧化。 ? 金属的高温腐蚀遍及国民经济的各个领域 （1）化学工业中的高温过程：如生产氨水和石油化工等 领域产生的氧化。 （2）金属生产和加工过程中，如热处理中碳氮共渗和盐 浴处理易产生增碳、氮化损伤和熔融盐腐蚀 （3）含有燃烧的过程：如发动机、燃气轮机、焚烧炉等 产生的复杂气氛高温氧化、高温高压水蒸气氧化和熔融 盐腐蚀 （4）核反应堆运行领域，煤的气化和液化产生的高温硫 化腐蚀 （5）航空领域：宇宙返回舱、航空 高温合金 ? ? 又称超合金，使用温度范围为550～1100°C。英国于40年代最早研制成镍基 合金尼蒙尼克75，用作燃气涡轮发动机的涡轮叶片材料。1945～1975年，高 温合金有了很大发展，涡轮进口温度平均每年提高15°C（涡轮前温度每提 高100°C，能使发动机推力增加15％）。 镍基铸造合金的高温强度高，组织比较稳定， 热疲劳性能好，是制造涡轮工作叶片和导向叶 片的理想材料。从60年代初发展定向凝固铸造 涡轮叶片以来，由于消除了垂直于应力方向的横 向晶界，叶片的热疲劳寿命提高大约8倍，蠕变断 裂寿命提高2倍多，塑性提高4倍。 定向凝固单晶 涡轮叶片则完全消除了晶界，与普通铸造涡轮叶片 比，工作温度提高近100°C。 歼10发动机涡轮叶片 ? 高温腐蚀的分类 （1）按腐蚀介质的状态 高温气态腐蚀 高温液态腐蚀 高温固体介质腐蚀 （2）按环境介质的状态 高温氧化 高温气体腐蚀 干腐蚀 燃气腐蚀 ? 研究高温腐蚀的意义 （1）有助于了解各种金属及其合金在高温不同 介质中的腐蚀行为 （2）掌握腐蚀产物对金属性能破坏的规律 （3）成功地进行耐蚀合金的设计 1. 金属高温氧化的热力学基础 一、高温氧化的热力学可能性与方向性 1、高温氧化可能性 （1）热力学可能性判据：任何自发进行的反应系统吉布斯 自由能变化值△G必须降低。 用△G判据来判断反应的方向： (△G)T,P ＜ 0 (△G)T,P ＝ 0 (△G)T,P ＞ 0 自发过程 平衡过程 非自发过程 + RTln （2）高温氧化的可能性判定 M+O2→MO2 (高温) 反应过程的自由能变化 ′ 金属M的活度 金属氧化物的活度 气相中的氧分压 1 P O 2 1 PO 2 = 4.575T(lgP O 2 /P O 2 ) ΔG T = ?RTln + RTln 2 1 P O 2 1 PO = 4.575T(lgP O 2 /P O 2 ) ΔG T = ?RTln PO 2 — —氧化物的分解压 P O 2 — —气相中的氧分压 根据氧化物分解压和气相中氧分压的相对大小判断氧化反应 的可能性 P O 2 PO 2 ，?GT 0 金属能够发生氧化。 P O 2 = PO 2 ，?GT = 0 反应达到平衡。 P O 2 PO 2 ，?GT 0 金属不能发生氧化，氧化物分解 （3）金属氧化物的分解压 2 ① ② 分解压值较大的氧化反应可直接通过实验测出 分解压值较小的，通过热力学数据计算：可知 在给定温度下，氧化反应的标准自由能变化与 分解压之间有以下关系 Θ 已知给定温度T时的 ?G Θ PO 2 ?G — T 图 （4） ? ? 1944年，Ellingham编制了一些氧化物的 ? ? Θ 可以用金属氧化物的?G Θ ~T关系来判断氧化的可能性 ?G Θ ～ T平衡图(是 高温氧化体系的相图)，可以直接读出任何给定温度下金属 氧化反应的 ?G Θ 值。 ?G Θ 值越负，金属的氧化物越稳定，即图中线的位置越低， 氧化物越稳定； 可以预测一种金属还原另外一种金属氧化物的可能性。 将上两式相减得： Al2O3的稳定性FeO Al、Cr、Si耐热钢中 的主要合金元素 氧化膜中的FeO 可被Al还原 生成Al2O3 TG —? 添加平衡氧压的 Θ 金属Mg在1000℃ 时的平衡氧压 金属Al在1500℃ 时的平