H2O對N復合氧化膜Cr2O3作用機制的理論研究

牛亞楠，韓培德

(太原理工大學材料科學與工程學院，太原 030024)

1 引 言

Cr2O3由于其優異的化學穩定性、耐磨性，低熱傳導性，在工業領域應用十分廣泛[1-3].Cr2O3氧化層結構致密，生長緩慢且均勻，可以有效地保護耐熱鋼表面，降低氧化速率，從而提高鋼的抗氧化性.然而在含有蒸汽的服役環境中，耐熱鋼的氧化速率顯著增加；氧化膜中會形成更多的微裂紋，開裂傾向增大等現象[4，5].楊珍等[6]利用掃描電子顯微鏡、x射線衍射儀等對HR3C在750℃空氣和純水蒸汽中的氧化行為進行了對比研究.水蒸汽的存在使得氧化膜破裂，導致水蒸汽環境下的氧化動力學整體偏離拋物線規律；氧化膜的破裂使得裸露的金屬基體直接與高溫空氣或水蒸汽反應，限制了HR3C在高溫蒸汽環境中的應用.為了進一步提高耐熱鋼在高溫中的抗氧化性，在傳統的高Cr耐熱鋼基礎上，加入Si、Mn、W、Co、Cu、N、B等合金化元素，開發出了一系列耐熱鋼，它們具有優異的高溫持久強度、抗高溫蒸汽氧化以及抗煙氣腐蝕性能[7，8].通過實驗表征手段可知，耐熱鋼氧化膜成分并不是單一的Cr2O3，基體中的合金元素都會擴散到氧化膜中.Rutkowski等[9]研究了Sanicro25鋼在700℃蒸汽下表面組織結構的變化情況.外層氧化膜主要由Fe、Cr、O構成的尖晶石結構.內層氧化膜除了Cr、O元素外，還有Mn和Si元素.Intiso等[10]對不同環境下Sanicro25的氧化行為進行了研究.在潮濕環境中，合金表面被大的氧化物結節所覆蓋，形成了多層結構的氧化膜；內層是富Cr的剛玉和尖晶石型氧化物，外層包含(Fe，Cr)2O3以……