Inconel_625合金在富氧高温熔渣中的腐蚀行为_贾金凤.pdf

书书书文章编号：-（）-I n c o n e l 合金在富氧高温熔渣中的腐蚀行为贾金凤*，王江，陈大林，刘俊钊，王振铭（兰州信息科技学院 材料与化工工程学院，甘肃 兰州 ；金川集团股份有限公司，甘肃 金昌 ；兰州理工大学 省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室，甘肃 兰州 ）摘要：针对镍顶吹熔炼喷枪使用寿命低的问题，以 合金为替代材料，采用挂片试验，研究了该合金在氧气流量为 ，熔渣温度 下的腐蚀行为及机理采用金相显微镜、扫描电镜、能谱仪、电子探针及显微硬度计等分析了试样的组织形貌、元素分布及硬度结果表明：时 等氧化膜的形成阻碍了氧化腐蚀的进行；合金的严重腐蚀区域发生在表面 ，为热影响区；富 贫 区优先被腐蚀，随着由、等构成的复杂氧化膜体系的不断形成与分解，合金中各主要元素不断腐蚀脱落，且氧化膜中的、元素来源于熔渣；腐蚀后的合金表面硬度明显降低关键词：合金；富氧高温；熔渣；腐蚀行为中图分类号：文献标志码：C o r r o s i o nb e h a v i o r o f i n c o n e l a l l o y i n t h eo x y g e n-r i c ha n dh i g h-t e m p e r a t u r e s l a g -，-，-，-（，；-，；，）A b s t r a c t：-，-，：-，-，-，K e yw o r d s：；-；富氧顶吹浸没式喷枪是典型熔池熔炼技术的关键装备，由燃料管、取压管、氧管、空气气管和套筒风管等个同心圆管组成-主要用于铜、铅、锡、镍等金属的冶炼目前国内外顶吹浸没熔炼技术普遍收稿日期：-基金项目：甘肃省科技计划资助（）通讯作者：贾金凤（-），女，河南周口人，讲师 ：采用 不锈钢作为枪头材料-但某镍冶炼厂使用的 不锈钢喷枪在氧气流量 ，熔渣温度 ，熔渣扰动巨大的工况下，因富氧高温腐蚀，其使用寿命仅为，更换频繁，维护费用高 合金-是镍基奥氏体超耐热耐蚀合金，研究表明 -，合金具有良好的蠕变性能及高温抗腐蚀性能，因优异的综合性能，其应用领域也十分广泛，在高温领域主要应用在航空第 卷第期 年月兰州理工大学学报 航天、高温推进器叶片、核电、引擎部件等喷枪材质是制约冶炼企业经济指标的关键因素之一，也是该行业设备先进程度的重要指标之一，本文选取 合金为研究对象，探讨其在上述工况中的腐蚀行为及机理，旨在探索该合金作为富氧顶吹浸没式喷枪枪头替代材料的可能性 试样材料与方法试验材料为退火处理态 （）合金，合金化学成分见表 将 合金线切割成尺寸为 的板条状试样在金川集团股份有限公司某顶吹熔炼车间，采用挂片方式将板条状试样固定在顶吹喷枪顶端外侧，随喷枪深入炉内熔渣进行试验炉内熔渣化学成分见表 喷枪环境工况为：氧气流量 ，熔渣温度 喷枪工作 后，在更换枪头时取下挂片试样采用丙酮清洗试样运用 型光学显微镜观察组织形貌，用 型扫描电镜及自带的能谱仪分析试样组织形貌和成分，用 -型电子探针分析元素分布，用 型全自动显微硬度计分析材料硬度分布规律等为了探讨 合金在高温氧化过程中的增重趋势，明确氧化过程的宏观表现，在实验室模拟条件下进行氧化增重实验，绘制质量随时间的变化曲线实验采用型号为 -的一体化程序控制高温炉，试样共计组，每个为一组坩埚烧至恒重后，每组试样分别装入坩埚称重并记录升温速度为 ，炉内气氛为空气，升温至 并保温 ，分别在 、时取出试样空冷至室温并再次进行称重记录，每组试样增重量取平均值表 I n c o n e l 合金的主要化学成分T a b M a i nc h e m i c a l c o m p o s i t i o no f I n c o n e l a l l o y元素 质量分数 余量 元素 质量分数 表 熔渣的主要化学成分T a b M a i nc h e m i c a l c o m p o s i t i o no f s l a g元素 质量分数 元素 质量分数 试验结果及分析 氧化增重质量随时间的变化曲线图为 合金氧化质量随时间的变化曲线，由图可知，随着氧化时间的增加，合金质量图 I n c o n e l 合金氧化质量随时间的变化曲线F i g T h e l i n e o f o x i d i z eq u a l i t yo f I n c o n e l a l l o yw i t h t i m e呈增长趋势在 合金处于孕育阶段，氧化速率较慢；之后加速这是由于氧化膜的形成，阻止了氧化反应的进一步进行，直至氧化膜被破坏，合金元素与氧化介质进一步发生反应，保护层逐渐失去保护作用，合金的氧化进入加速阶段对曲线进行拟合后发现，氧化速率随时间变化呈线性关系，平均氧化腐蚀速率K（）赵金成等研究了 时 不锈钢在熔融镍渣中的腐蚀速率，结果表明，不锈钢的腐蚀速率K ，较 合金平均氧化腐蚀速率高约 ，且未出现孕育平台根据理论计算，如采用 合金材料，喷枪的使用寿命将提高 腐蚀后的表面形貌图为 合金腐蚀后的表面形貌，左侧为腐蚀边缘，右侧为试样中心区域腐蚀后的 合金试样组织中的黑色相大量集中在兰州理工大学学报 第 卷图 I n c o n e l 合金腐蚀后的表面形貌F i g S u r f a c em o r p h o l o g yo f I n c o n e l a l l o ya f t e r c o r r o s i o n腐蚀前沿试样腐蚀前沿 组织疏松，组织以大量腐蚀后的黑色相和基体灰色相组成；距腐蚀前沿 区域晶界明显被熔化，残留大量黑色腐蚀坑；可以观察到虽被熔断且清晰可见的晶界；以上范围的组织相对稳定，黑色相较腐蚀前沿明显减少 腐蚀产物图为 合金基体及腐蚀试样的 物相分析从图可知，合金元素主要以 （-）、（-）、（-）、-（-）等物相存在于基体之中；而腐蚀后的产物主要有（-）、（-）、（-）、（-）、橄榄石、（-）、（-）等由表、表合金及熔渣的化学成分表可知，、中的、元素主要来源于熔渣，可见熔渣中的、元素参与了 合金的腐蚀图为腐蚀后的黑色相和基体灰色相能谱分析位置及成分对比图，表为腐蚀后的黑色相和基体灰色相能谱分析结果有研究表明，合金在熔盐腐蚀中 元素在合金表面形成了致密的、粘附性好的 保护膜，可有效降低腐蚀速率从图、表可知，腐蚀产物主要是由、等组成结合图的分析可知，图 I n c o n e l 合金的X R D物相分析F i g T h ep h a s e a n a l y s i s o f I n c o n e l a l l o y s b yX R D图 腐蚀后的黑色相和基体灰色相能谱分析位置及成分对比F i g T h ep o s i t i o na n dc o m p o s i t i o no f t h e c o r r o d e db l a c kp h a s e a n dm a t r i xg r a yp h a s e a n a l y z e db yE D S第期贾金凤等：合金在富氧高温熔渣中的腐蚀行为 合 金 试 样 腐 蚀 过 程 中 生 成 了，同时存在、等新相对腐蚀产物进行能谱分析，结果发现 的含量明显增高，结合图可知，这是由于合金中铌化合物的热稳定性较基体低，在剧烈的热腐蚀过程中被优先腐蚀脱落 -表 腐蚀后的黑色相和基体灰色相能谱分析结果T a b T h e r e s u l t s o f b l a c kp h a s e a n dm a t r i xg r a yp h a s eb yE D Sw t 元素 其他点 余量点 余量 元素面分布图为 合金腐蚀前沿区域的元素分布由图可知，组织中的腐蚀产物区域、元素富集，结合图分析可知，这是 氧化膜的形成区域，从图中可见明显的氧化膜形态、在此区域内贫化，、元素在基体内部分布均匀，元素紧贴腐蚀产物边缘富集，其含量明显高于基体内部可知，在 保护膜的内侧为 元素富集的区域，元素有明显贫化，的贫化使得 保护膜的形成受到极大限制，这致使该区域的抗腐蚀能力大幅下降，这也是腐蚀产物中 元素含量升高的原因 元素少量富集于腐蚀产物的边缘，结合 检测结果可知，出现了短柱状或粒状的橄榄石、，这是由于富氧高温下，超高温使得 与金属氧化物反应生成所致 元素大量分布在腐蚀产物区域 元素少量富集于腐蚀产物的边缘 元素线分布图和图为 合金腐蚀区域前沿的 图及元素线扫描结果，可知，氧化膜的厚度约为，外侧光滑，内侧不规则，这是由于氧化膜的形成是一个动态过程，随着腐蚀的进行氧化膜是一个不断被溶解与形成的过程 -氧化膜最外侧、元素富集，结合前面的分析结果可知为，内侧、元素富集，为铁橄榄石 ，从分析结果中还发现、，可知铁橄榄石 与镁橄榄石 为共生，镁橄榄石中的 元素来源于熔渣，共同构成、，、内侧、元素富集，同时夹杂有元素的富集，为 氧化物及少量的 硫化物氧化物和硫化物的内侧、含量逐渐升高，为 元素的含量非常低，随着腐蚀深度的增加分布基本均匀氧化膜内部是一个十分复杂的结构，各层之间并没有明显的分界线，图 I n c o n e l 合金腐蚀区域前沿的E P M A元素分布图F i g T h eE l e m e n t d i s t r i b u t i o na t t h e l e a d i n g e d g e o f t h e c o r r o s i o nz o n e o f I n c o n e l a l l o yb yE P M A兰州理工大学学报 第 卷图 I n c o n e l 合金腐蚀区域前沿的S E M图及线扫描位置F i g T h e l i n e s c a n n i n g p o s i t i o n a n d S E Md i a g r a mo f t h ef r o n t e d g e o f t h e c o r r o s i o na r e a o f I n c o n e l a l l o y而是动态交融的过程 硬度分布图为 合金腐蚀前、后的硬度分布按照腐蚀前沿贯穿组织内部再到腐蚀前沿的顺序测定了 合金腐蚀后的硬度分布由图可知，腐蚀后试样的中心区域硬度明显高于试样边缘的硬度，结合图分析可知，这是由于生成的腐蚀产物、等组织疏松，在试样边缘聚集所致腐蚀后试样的中心区域硬度值在 ，较腐蚀前试样硬度 略有降低，结合图分析可知，这是由于腐蚀过程中试样中心区域部分晶界被熔断，晶粒变得粗大，致使硬度降低图 I n c o n e l 合金腐蚀区域前沿的元素线扫描结果F i g T h e r e s u l t s o f e l e m e n t l i n e s c a nd i s t r i b u t i o na t e d g e o f t h e c o r r o s i o nz o n e o f I n c o n e l a l l o yb yE D S图 I n c o n e l 合金腐蚀前后的硬度分布F i g H a r d n e s s d i s t r i b u t i o no fp r e-c o r r o s i o na n dp o s t-c o r r o-s i o no f I n c o n e l a l l o y 结论）随着腐蚀时间的增加，合金的腐蚀质量呈增长趋势由于氧化膜的形成阻碍腐蚀的进一步进行，合金在 腐蚀速率较慢氧化膜被破坏后，腐蚀加速合金的严重腐蚀区域发生在表面 ，为热影响区）合金腐蚀后的产物主要由、等组成 元素的偏聚导致贫，使 保护膜的形成受限，因此富 贫 区优先被腐蚀；随着腐蚀进行，、橄榄石、等第期贾金凤等：合金在富氧高温熔渣中的腐蚀行为 构成复杂的氧化膜体系，氧化膜中、元素来源于熔渣）氧化膜最外侧主要是 等氧化物，其次是橄榄石、，再次是 氧化物及少量的 硫化物，最内侧是 等，各层之间并没有明显界线，腐蚀后的合金表面硬度明显降低）合金在富氧高温熔渣中的腐蚀具有特定的腐蚀规律，熔渣中的、元素参与合金腐蚀，元素形成橄榄石、，阻碍腐蚀的进行，元素形成低熔点的，加速腐蚀而熔渣中元素含量低，影响较弱致谢：本文得到镍钴资源综合利用国家重点实验室开放课题资助项目（-）的资助，在此表示感谢参考文献：李栋熔融富铅渣中金属高温腐蚀行为的研究 昆明：昆明理工大学，俞集良澳斯麦特技术在镍-钴工业中的应用 有色冶炼，（）：-杨照明，韩静涛，刘靖奥氏体耐热不锈钢 的抗高温氧化性能研究 热加工工艺，（）：-赵金成 不锈钢在高温熔渣中的腐蚀机理研究 昆明：昆明理工大学，-（），（）：-，：-，e ta l -，（）：-，e ta l ：，（）：-薛洪迪 合金在不同介质环境中的高温腐蚀机理研究 兰州：兰州理工大学，蔡浩鹏 合金在高温和热腐蚀环境下的性能研究兰州：兰州理工大学，-，（）：-，-，（）：-，-，（）：-，：-，（）：-，e ta l -，（）：-倪进飞，熊义，刘光明，等氧化物陶瓷封孔对热喷涂 -涂层热腐蚀行为的影响 表面技术，（）：-马宏芳，朱明，赵云苗两种合金在氯化物熔盐中腐蚀行为研究 材料导报，（）：-兰州理工大学学报 第 卷