2.4650高温合金材料Ni20Cr20MoTi合金的应用
概述
NiCo20Cr20MoTi是一种高温合金材料，主要由镍（Ni）、钴（Co）、铬（Cr）、钼（Mo）和钛（Ti）元素组成。这种合金具有优良的高温强度、抗蠕变性能和抗氧化性能，因此被广泛应用于高温和腐蚀性环境中。
NiCo20Cr20MoTi合金中镍元素含量较高，具有很好的耐蚀性能，特别是在还原和中性环境中。此外，镍元素也提高了合金的韧性和塑性，使其在加工和制造过程中更易于加工和成形。
其次，Co元素在NiCo20Cr20MoTi合金中含量也较高，具有很好的高温强度和抗蠕变性能。钴元素能够有效地提高合金的硬度和耐磨性，同时也增强了合金的抗腐蚀能力。
铬元素在NiCo20Cr20MoTi合金中含量较高，具有很好的抗氧化和耐蚀性能。在高温环境下，铬元素能够形成稳定的氧化膜，防止合金进一步氧化。
钼元素能够提高合金的高温强度和抗蠕变性能，同时也增强了合金的耐蚀能力。在NiCo20Cr20MoTi合金中，钼元素的添加量也较高。
钛元素在NiCo20Cr20MoTi合金中含量较低，但对合金的性能也有重要影响。钛元素能够细化合金的晶粒，提高其强度和韧性。同时，钛元素还能够与氮、氧等元素反应，形成稳定的化合物，提高合金的抗氧化性能。
综合来看，NiCo20Cr20MoTi合金具有优良的高温强度、抗蠕变性能和抗氧化性能，因此在航空航天、能源、化工等领域得到了广泛应用。例如，在航空发动机中，NiCo20Cr20MoTi合金可用于制造高温部件和叶片等关键部件；在石油化工领域中，这种合金可用于制造高温反应器、炉管和阀门等设备；在能源领域中，NiCo20Cr20MoTi合金可用于制造高温蒸汽轮机和燃气轮机等设备的关键部件。
为了更好地应用NiCo20Cr20MoTi合金，需要对其进行适当的加工和热处理。例如，合金的熔炼和铸造工艺需要严格控制，以确保其成分和组织的均匀性；在热处理过程中，需要选择适当的温度和时间，以获得 佳的力学性能和组织结构；在加工过程中，需要采用适当的加工工艺和参数，以避免产生裂纹和变形等问题。
上海交大Acta Materialia：高Cr-Ni合金在高温水蒸汽中耐腐蚀原理
近日，上海交通大学在高Cr-Ni合金高温水蒸汽腐蚀机理方向取得新进展，并在金属结构材料顶级期刊Acta Materialia上发表题为“Microstructure understanding of high Cr-Ni austenitic steel corrosion in high-temperature steam”的学术论文。材料学院沈朝副教授为论文的第一作者，材料学院曾小勤教授和W南交通大学吴圣川研究员为论文的通讯作者，新南威尔士大学Jianqiang Zhang教授、牛津大学Sergio Lozano-Perez和Michael Moody教授为共同作者。该工作得到重点研发项目资助（资助号YS2018YFE010246）和英国EPSRC基金资助（资助号 EP/R009392/1）。
论文链接
当金属材料暴露在高温水蒸汽环境下，其表面会形成一层氧化膜，而金属材料耐腐蚀性能的好坏主要取决于表面氧化膜的特性。课题组前期分别对Fe-9Cr钢（Z. Shen, et al., ActaMater. 194(2020) 522-539）和Fe-17Cr-9Ni钢（Z. Shen, et al., Acta Mater. 194(2020) 522-539）在600℃高温水蒸汽中的所形成的氧化膜进行了系统的研究，研究结果表明由于Cr和Ni的进一步添加，Fe-17Cr-9Ni钢展现出了比Fe-9Cr钢更加优异的耐腐蚀性能，进一步研究发现这两种材料在高温水蒸汽中均发生了内氧化，但是由于Cr和Ni的进一步添加，这两种材料的表面氧化膜的微观结构并不相同。虽然Fe-17Cr-9Ni钢拥有较好的耐腐蚀性能，但是文献结果表明通过对Cr和Ni的进一步添加，材料的耐腐蚀性能可以得到进一步提升。
由于高Cr-Ni钢的耐腐蚀性能优异，其表面氧化磨厚度较低，研究表征相对困难，因此当前关于高Cr-Ni钢在高温水蒸气中腐蚀后其表面氧化膜的微观结构的认识尚不清楚。而通过对高Cr-Ni钢表面氧化膜微观结构的高分辨研究，揭示其在高温水蒸汽中的耐腐蚀机理，这些研究结果可以用来指导开发出耐腐蚀性能更加优异的金属材料。
主要思路
本文以Fe-21Cr-32Ni钢为研究对象，分别将其暴露在600℃高温水蒸汽中腐蚀48h和1500h，获得该材料在腐蚀初期以及后期的表面氧化膜。论文综合利用扫描电子显微镜（SEM）、聚焦离子束（FIB）、透射电子显微镜（TEM）、同轴电子背散射衍射（on-axis TKD）、三维原子探针（3D APT）等多种表征手段对不同腐蚀时间的氧化膜进行了深入系统的研究，查明高Cr-Ni钢在不同腐蚀时间其表面氧化膜的微观结构，揭示了表面氧化膜微观结构随着时间的演变规律。进而，在这些高分辨微观表征数据的基础上提出了高Cr-Ni钢在高温水蒸汽环境下的腐蚀机理。
研究发现
Fe-21Cr-32Ni钢在腐蚀初期，氧通过晶格扩散进入金属基体内部，形成离散的Fe-Cr尖晶石氧化物颗粒，而基体中的部分金属态Ni迁移到材料表面形成一层连续的金属Ni层（图1和图2）。
图1：Fe-21Cr-32Ni钢腐蚀48h后表面氧化膜的截面形貌。
图2. Fe-21Cr-32Ni钢表面氧化膜中氧化物相和富Ni金属相中元素的空间分布。
随着腐蚀时间的延长，Fe-Cr尖晶石氧化物颗粒的尺寸逐渐长大并形成一层连续的氧化层，而早期迁移到基体表面的金属Ni层被氧化成NiO，同时基体中部分Fe2+/3+向外扩散同NiO反应生成一层连续的Fe-Ni尖晶石氧化层（图3和图4）。随着氧化膜厚度的增加，扩散进入金属基体中的氧的含量逐渐降低，此时Fe-Cr尖晶石氧化物已经无法生成，转而生成一层连续的热力学更加稳定的Cr2O3层（图4）。连续的Cr2O3层可以进一步抑制往金属基体中扩散的氧，此时已经无法继续生成Cr2O3，而SiO2相较于Cr2O3其热力学更加稳定，因此在Cr2O3层前沿生成一层SiO2层。由于Fe-21Cr-32Ni钢中Si含量较低（0.15%wt.），SiO2层呈半连续状态。
图3. Fe-21Cr-32Ni钢腐蚀1500h后表面氧化膜的截面形貌以及元素分布。
图4. Fe-21Cr-32Ni钢腐蚀1500h后表面氧化膜的晶体结构。
本研究表明，Fe-21Cr-32Ni钢在高温水蒸汽中优异的耐腐蚀性能主要来自三个方面：1）早期基体表面形成的一层连续的金属Ni层；2）氧化膜前沿形成的一层连续的Cr2O3层；3）Cr2O3层前沿形成的一层半连续状的SiO2层（图5）。
图5. Fe-21Cr-32Ni钢在高温水中的腐蚀机理。
（文：上海交大材料智能设计与加工团队）
*感谢论文作者团队对本文的大力支持。
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