金屬塵化的力學(xué)影響及防護(hù)涂層破壞機(jī)理研究.pdf

1、金屬塵化是一種比較少見的高溫腐蝕形式。通常表現(xiàn)為金屬或者合金分解為金屬顆粒和塵埃，或伴隨氧化物、石墨和半球形蝕坑形成的過程。雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)這種腐蝕現(xiàn)象進(jìn)行不少研究工作，但是幾乎所有的研究工作都是圍繞金屬材料本身的塵化腐蝕機(jī)理而開展的，不涉及外加載荷的作用，具體的防護(hù)措施更是在探索性的研究之中。
　　 事實(shí)上，工程結(jié)構(gòu)材料幾乎都是使用在有外加載荷的場(chǎng)合，因此研究工程結(jié)構(gòu)材料在外加應(yīng)力狀態(tài)下的塵化腐蝕機(jī)理和現(xiàn)象十分必要。國(guó)內(nèi)外關(guān)

2、于這方面的研究目前鮮見文獻(xiàn)報(bào)道。此外，對(duì)于高溫腐蝕的有效而經(jīng)濟(jì)的防護(hù)措施-高溫涂層在外載荷作用下的破壞機(jī)理也無(wú)人涉及。鑒于此，本文對(duì)外加應(yīng)力對(duì)金屬塵化腐蝕機(jī)理的影響以及對(duì)超音速電弧噴涂的抗高溫腐蝕涂層的耐金屬塵化能力的影響進(jìn)行了探討。主要研究工作和結(jié)論包括：
　　 1、通過對(duì)近幾年有關(guān)金屬塵化和高溫涂層的文獻(xiàn)的分析、研究、整理，對(duì)金屬塵化腐蝕機(jī)理、高溫涂層技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行了系統(tǒng)的綜述。在此基礎(chǔ)上提出了有必要研究外加載荷對(duì)于金屬

3、塵化和涂層失效機(jī)理的影響的觀點(diǎn)。
　　 2、以碳擴(kuò)散機(jī)制和Fick定律為基礎(chǔ)，研究了外加應(yīng)力對(duì)碳擴(kuò)散的動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)影響，并推導(dǎo)了外加應(yīng)力下金屬塵化過程中碳的擴(kuò)散模型；用ABAQUS模擬了其擴(kuò)散行為，并與COMSOL Multiphysics計(jì)算的多場(chǎng)耦合條件下的碳濃度梯度分布作了比較；用ABAQUS模擬了碳化物體積增量引起的金屬塵化腐蝕蝕坑的產(chǎn)生過程。
　　 3、開發(fā)了一套操作簡(jiǎn)便，試驗(yàn)溫度均勻，試驗(yàn)精度高，成本低的外

4、加應(yīng)力狀態(tài)下多氣氛的高溫腐蝕試驗(yàn)系統(tǒng)，并較好地解決了試驗(yàn)系統(tǒng)中有害、高危腐蝕氣體的密封問題。
　　 4、設(shè)計(jì)了外加純彎曲應(yīng)力(最大應(yīng)力100MPa、50MPa、10MPa、無(wú)載荷)下CrMo鋼的金屬塵化腐蝕試驗(yàn)，在一次試驗(yàn)中同時(shí)獲得拉伸和壓縮應(yīng)力，以研究外加拉伸和壓縮應(yīng)力對(duì)金屬塵化和碳擴(kuò)散的影響，每個(gè)試樣進(jìn)行了560℃下200小時(shí)的試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著彎曲應(yīng)力的增加，試樣表面的腐蝕程度(積碳量、蝕坑數(shù)量)越嚴(yán)重；但是在同一載

5、荷下試驗(yàn)后的試樣受壓側(cè)和受拉側(cè)表面的腐蝕程度并無(wú)明顯的區(qū)別；外加載荷對(duì)受拉側(cè)或受壓側(cè)的滲碳層深度的影響是明顯的，隨著外加彎曲應(yīng)力的增加，在受拉側(cè)，滲碳層深度是逐漸增加的；在受壓側(cè)，隨著壓應(yīng)力的增加，滲碳層的深度是逐漸減小的。
　　 5、對(duì)超音速電弧噴涂的Cr5Mo、Cr9Mo兩種基體材料的三種涂層(Al、FeCrAl、CrNi)均分別在500℃和600℃下進(jìn)行了1000小時(shí)的耐氧化試驗(yàn)，結(jié)果顯示：抗高溫氧化性能為CrNi涂層最優(yōu)

6、，F(xiàn)eCrAl其次，而Al涂層在本試驗(yàn)中基本不具備抗高溫氧化能力。
　　 6、設(shè)計(jì)了外加純彎曲應(yīng)力下三種高溫涂層的金屬塵化腐蝕試驗(yàn)，最大彎曲應(yīng)力50MPa，溫度560℃。外加的純彎曲應(yīng)力對(duì)金屬塵化腐蝕的影響是明顯的，壓應(yīng)力加劇了金屬塵化腐蝕，而拉應(yīng)力延緩了金屬塵化腐蝕速率；對(duì)同一個(gè)試樣的受壓側(cè)和受拉側(cè)，受拉側(cè)的滲碳層深度明顯比受壓側(cè)要厚；而對(duì)于三種不同的涂層試樣而言，最不耐塵化腐蝕的Al涂層試樣的滲碳層深度最大，CrNi涂層的滲