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        耐高溫腐蝕的鎳合金
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        文件介紹:

        耐高溫腐蝕的鎳合金
        鎳合金因其具有抗高溫腐蝕特性而在工業中大量使用。例如,在抗高溫氧化方面,鎳合金優于鐵合金或鈷合金。這些合金因其對間隙原子的溶解度低,因而對碳化、氮化的侵蝕具先天的耐受力。由于鎳合金的鹵化合物熔點高,所以它們在含鹵素環境中也有良好的耐受力。
             根據其主元素不同,鎳合金被劃分為Ni-Cr、Ni-Cr-Mo、Ni-Cr-W、Ni-Co-Cr、Ni-Cr-Fe、 Ni-Fe-Cr和 Ni-Mo合金。它們還可依據其是否可進行時效硬化而加以區分。鎳合金通常利用伽瑪初始微粒的彌散實施硬化。
             伽瑪初始相是面心立方A3B化合物,其中的 A主要是鎳,而B主要是鋁(有時偶爾還伴有鈦)。伽瑪雙淬火組織則是體心四方相,其成分仍為A3B,只是這里B主要是鈮。顯然,伽瑪淬火組織要求大量摻鋁 (還可能有鈦),而伽瑪雙淬火組織則要求大量摻鈮。
             時效硬化合金通常只用于氣體渦輪機,在這里耐氧化和確定溫度下保持強度是主要要求。對其他耐高溫應用方面,則使用固溶硬化鎳合金,因為這種合金使用溫度較寬,而且較易于焊接和制造。有許多固熔強化合金是為適應特定高溫腐蝕而制造的,如適用于硫化環境的鎳合金。
             在固溶強化合金中有時摻入鋁,因為生成外部氧化鋁膜可提高鎳合金的抗氧化能力、例如 214合金 (NO7214)。通常這類合金工作溫度須高于伽瑪淬火組織的固溶相線,以防止彌散硬化造成的麻煩。
            腐蝕模式
             高溫腐蝕的模式包括氧化、碳化、金屬粉化、硫化、氮化、鹵素侵蝕、熔鹽侵蝕等。本文將只限于討論氧化及碳化。
             為了達到抵御高溫氧化,多數鎳合金仰仗于摻鉻,摻量從 8%-48%不等。有些合金摻少量硅或錳,促使生成具保護作用的尖晶石型氧化物,還可摻入鑭、釔之類的稀土元素以增強抗氧化層剝落。在許多鎳合金中,鋁是主要的摻雜劑,它可促進彌散硬化或生成抵御高溫氧化的氧化鋁防護層。
             氧化侵蝕作用主要包含兩方面:(1)由主金屬生成氧化外皮帶來的金屬丟失,(2)由晶粒間侵蝕及生成孤立內部氧化物造成的損害。
             金屬丟失可進一步區分為連續的氧化物外皮或由熱循環造成的氧化物外皮剝落。
             至于內部侵蝕,如果零件暴露于空氣中,則伴隨著內生氧化物還可生成內部氮化物。尤其那些含有 Cr2O3的合金,如果發生大量氧化外皮剝落,或者因鋁量不足而無法生成連續的Al2O3膜時,則內部侵蝕會更加嚴重。
             用測量失重的辦法并不能充分反映氧化侵蝕的情況。因此,必須用金相法檢查并測量觀察到的損失量。在下一節中,氧化侵蝕被表述為由金屬丟失加上內部侵蝕平均值構成的被損害金屬的平均量。
             氧化侵蝕
             可以設想,氧化侵蝕程度通常隨溫度上升而趨向嚴重。對樣品進行了高溫氧化試驗,在流動空氣中零件每過168h從高溫降至室溫一次,總計氧化時間 1008h。在980℃以上觀察到生成揮發性 CrO3,而Cr2O3防護作用下降。該效應在 1205℃時最為明顯。對214合金,在所有4個溫度下的最低值 (980、1095、1150 1205)表明,Al2O3具有最好的保護作用。
             反復降至室溫會造成氧化外皮剝落,因而對氧化侵蝕的效果最明顯。在1095℃流動空氣中,以不同循環時間進行了氧化實驗。測試時間完全相同的兩個樣品,循環時間短的那個樣品的損失量最大。在高速燃氣中,循環時間短的樣品,受腐蝕最為嚴重。
             這種動態氧化實驗是設計用于模擬飛機的氣體渦輪發動機的工作狀態。試驗裝置使用的燃油是№l和№2混合物,空氣/燃料比 50:1,生成燃氣速度為 0.3馬赫。樣品裝于轉動的圓盤傳送帶上。傳送帶每隔 30min將樣品從高溫區取出,以空氣吹冷 2min后,再次返回高溫區。這種試驗顯然更為嚴酷。
             但是,不可以根據短時試驗結果對長時間的作用做出判斷。有些材料在長時間暴露狀態下會表現出一種斷裂氧化現象。例如,X (NO6002) HR-120(NO8120)合金在 1205℃進行長時間的破壞性氧化侵蝕試驗。X合金樣品在120天后完全損壞,而 HR-120合金則在330天后完全損壞。數據表明,兩個合金都不適宜在1150℃以上長時間使用。
            碳化侵蝕
             碳化是在有含碳氣體( CO、CO2、CH4或其他碳氫化合物)存在時碳侵入金屬的一種現象。碳傳送至金屬表面,在金屬中擴散并與合金元素生成各種碳化物。通常是在 800℃以上,碳活度小于 l時可觀察到碳化。在溫度較低而碳活度大于 1時,則會出現另一種侵蝕模式即金屬粉化。
             碳化與其他高溫腐蝕模式不同,生成的內部碳化物造成金屬變質、變脆并發生損壞。在這一模式中,不會因生成銹皮而造成金屬丟失,侵蝕損害也不能用金屬丟失加上內部腐蝕之和來表達。
             在這里,碳化程度可以用碳增量 (mg/cm2)和碳化深度加以定義。碳化動力學決定于相關溫度下碳的溶解度和擴散速度。
            碳在鎳合金中的溶解度低,因而廣泛采用鎳合金用于碳化環境中。但是耐熱合金全部都含有鉻、鋁、硅等合金元素。因此碳化總會產生多種碳化鉻。鎳合金一般靠穩定氧化外皮保護免于碳化。在給定溫度下,在氣體混合物中的合金均會遭受氧化或碳化,這些作用均取決于該溫度下的氧分壓 (氧化學勢)或碳的活度。
            高溫碳化
            在較高溫度下(>1050)氧化外皮穩定性順序為:Al2O3>SiO2>Cr2O3。
            工作溫度低于1050℃時,含氧化鉻合金擁有相當滿意的使用壽命;
            工作溫度高于1050℃時,使用含氧化硅或氧化鋁的合金更為可;
            如果工作環境變動于碳化和氧化條件之間時,則合金中的鉻也發生交替碳化和氧化。氧化物碳化時會放出CO,循環繼續。這種現象會導致出現“綠蝕”,命名得自于在斷裂表面出現綠色的氧化鉻。
            對一些市售合金(214、600、230、617)的碳化過程進行了測試。氣體成分:5H2、5CO、5CH4,余量為氬 (體積百分比),這是一種氧化學勢低,而碳活度為 1的氣氛。當氣體組成保持不變時,氧分壓隨溫度變化。
            在測試溫度下,計算出的氧分壓如下:
            871℃,PO2=8.13 X 10-23 atm
            927℃,PO2=2.47 X 10-22 atm
            982℃,PO2=6.78 X 10-22 atm
            在 982℃時,碳的丟失量明顯增大,即使測試時間很短,碳的丟失也非常嚴

         

         
         
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