高温合金的热腐蚀

装备环境工程第20卷第12期·20·EQUIPMENT ENVIRONMENTAL ENGINEERING2023年12月不同温度下DD6单晶高温合金的燃气热腐蚀行为研究杨丽媛，张骐，孙志华，刘明，赵明亮（北京航空材料研究院 航空材料先进腐蚀与防护航空科技重点实验室，北京 100095）摘要：目的研究DD6高温合金在650、800、950 ℃等3种典型温度的燃气热腐环境下的耐腐蚀性能。

方法采用X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、能谱仪（EDS）等测试方法，研究不同温度下DD6高温合金的热腐蚀行为。

结果与结论随着温度的升高，合金的腐蚀速率呈逐渐增加的趋势。

当温度为650、800 ℃时，合金的腐蚀速率较小；当温度为950 ℃时，表面腐蚀产物明显剥落，腐蚀程度明显增加。

在650 ℃下，DD6合金的腐蚀层较薄，主要为NiO、Al2O3等氧化物。

在800、950 ℃下，腐蚀层分为2层，外层由2部分构成，最外侧为一薄层NiO和Co3O4等的混合物，次外层为相对疏松的NiO，内层为Al2O3和Cr2O3构成的相对致密的腐蚀层。

腐蚀层下方的基体中，出现了γ'相退化区，并且出现了明显的内硫化现象，加剧了热腐蚀作用。

关键词：DD6；单晶高温合金；燃气热腐蚀；微观形貌；内硫化中图分类号：TG132.3 文献标识码：A 文章编号：1672-9242(2023)12-0020-06DOI：10.7643/ issn.1672-9242.2023.12.003Hot Gas Corrosion Behavior of Single Crystal Superalloy DD6 at Different Temperature YANG Li-yuan, ZHANG Qi, SUN Zhi-hua, LIU Ming, ZHAO Ming-liang(Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Advanced Corrosion and Protection for Aviation Material,AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China)ABSTRACT: The work aims to study the corrosion resistance of DD6 super alloy in three typical hot gas corrosion environ-ments at 650 ℃, 800 ℃ and 950 ℃. The corrosion behavior of DD6 super alloy was investigated by X-Ray Diffraction, scan-ning election microscopy and energy dispersive X-ray spectrum (EDS). The hot corrosion rate of alloy increased with the in-crease of temperature. The hot corrosion rates at 650 ℃ and 800 ℃ were relatively low. Significant spallation of corrosion products and obvious corrosion occurred at 950 ℃. The corrosion layer of DD6 alloy at 650 ℃ was relatively thin, mainly composed of oxides such as NiO and Al2O3. The corrosion products were divided into two layers at 800 ℃ and 950 ℃. The outer layer consisted of two parts, the outermost layer was a mixture of a thin layer of NiO and Co3O4, the secondary layer was loose NiO and the inner layer was a relatively dense corrosion layer composed of Al2O3 and Cr2O3. The phase γ' degradation zone appeared in the alloy below the corrosion layer, and there was obvious internal vulcanization phenomenon which acceler-ated the hot corrosion.KEY WORDS: DD6; single crystal super alloy; hot gas corrosion; microstructure; internal vulcanization收稿日期：2023-10-29；修订日期：2023-12-11Received：2023-10-29；Revised：2023-12-11引文格式：杨丽媛, 张骐, 孙志华, 等. 不同温度下DD6单晶高温合金的燃气热腐蚀行为研究[J]. 装备环境工程, 2023, 20(12): 20-25. YANG Li-yuan, ZHANG Qi, SUN Zhi-hua, et al. Hot Gas Corrosion Behavior of Single Crystal Superalloy DD6 at Different Temperature[J]. Equipment Environmental Engineering, 2023, 20(12): 20-25.第20卷第12期杨丽媛，等：不同温度下DD6单晶高温合金的燃气热腐蚀行为研究·21·DD6单晶高温合金具有优异的综合力学性能（拉伸、持久、蠕变）和良好的抗氧化性，目前已广泛应用于航空发动机和燃气轮机关键热端部件[1-8]。

高温合金的特点
高温合金的特点
一、强度高
高温合金具有极高的强度，其最大的优势之一就是可以承受非常高的温度下的应力，能够确保在高温环境下获得良好的抗腐蚀性。

这种特性使高温合金成为极其适合用于高温环境下的工业生产的材料，在航空、航天等高技术产业中，也能应用到许多火炉、锅炉、发动机零件、汽车上等上。

二、耐腐蚀性强
高温合金具有优异的耐腐蚀性，可以抵御大多数腐蚀性介质，使其在各种腐蚀性情况下保持其原有特性。

由于其耐腐蚀性强，广泛应用于化工、冶金、石油等行业。

三、热容量大
高温合金具有良好的热容量，能够在热和冷的转变中极好的稳定性，而且即使是极低的温度也能够达到其原有的特性。

四、抗高温氧化性好
高温合金具有极佳的抗高温氧化性，能够在高温下抵抗氧化损伤，它可以显著提高器件的耐用性，这也是其备受欢迎的原因之一。

五、综合性能优良
在综合性能方面，高温合金同样表现不凡，无论是耐热性、耐腐蚀性、强度、热容量还是抗高温氧化性等，它们都表现出强劲的优势。

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热腐蚀过程氧与高温合金元素反应及其扩散关键技术全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：热腐蚀是指高温下金属材料与气体中的腐蚀物质发生反应，导致金属材料表面遭受腐蚀的一种现象。

热腐蚀引起了高温合金元素与氧气之间的反应及其扩散，对于高温合金材料的应用和性能有着重要的影响。

本文将对热腐蚀过程中氧与高温合金元素的反应及其扩散的关键技术进行探讨。

在高温环境下，金属材料容易与氧气发生氧化反应，形成氧化物。

高温合金材料中常用的元素如镍、钴、铬等，容易与氧气发生化学反应，形成氧化物，在高温下则容易发生热腐蚀。

热腐蚀主要是由氧化物的形成和扩散过程引起的。

氧与高温合金元素的反应及其扩散是研究热腐蚀行为和机制的重要内容。

氧化物的形成是热腐蚀过程中的第一步。

当金属表面暴露在氧气环境中时，金属表面的原子会与氧气中的氧原子结合形成氧化物。

氧化物主要包括氧化镍、氧化钴、氧化铬等。

氧化物的形成会导致金属表面的化学成分发生变化，使金属表面逐渐失去原有的性能，导致金属材料的腐蚀和损坏。

氧与高温合金元素的反应是热腐蚀过程中的关键环节。

高温合金材料中的元素与氧气发生反应的速率取决于反应的速率常数和反应的能垒。

在高温条件下，元素原子在金属表面迁移的活动性增加，促使元素与氧气更容易发生反应。

氧与高温合金元素反应生成氧化物的过程是一个复杂的物理化学过程，涉及到原子的迁移、电子的转移等多种机制。

氧与高温合金元素的扩散是导致热腐蚀的另一个重要因素。

氧化物在金属表面形成后，会向金属内部扩散，使得金属材料整体遭受腐蚀。

氧与高温合金元素的扩散速率取决于氧化物的溶解度、原子扩散速率等因素。

扩散过程中，氧化物颗粒会沿晶界、孔隙等通道向金属内部扩散，导致金属内部也受到腐蚀。

针对氧与高温合金元素的反应及其扩散过程，研究人员提出了一系列关键技术来控制和减缓热腐蚀的发生。

首先是合金设计技术，通过改变高温合金材料的成分和结构，提高其抗氧化性能和抗腐蚀性能，减少氧化物的形成和扩散。

热处理工艺对高温合金材料的高温氧化和热腐蚀性能的改善热处理工艺是对材料进行加热、保温和冷却，以改善材料的性能。

对于高温合金材料来说，热处理工艺能够有效地改善其高温氧化和热腐蚀性能。

高温氧化是指在高温下，材料与氧气反应产生氧化物的过程。

在高温环境中，高温合金与氧气相接触时会出现氧化反应，导致材料表面形成氧化层，从而影响材料的性能。

由于氧化层的形成通常会导致材料的脆化和降低材料的机械性能，因此必须采取措施来改善高温合金的高温氧化性能。

首先，热处理工艺中的固溶处理能够使高温合金中的元素溶解均匀，减少了材料中的晶界和孿生相，提高了材料的均匀性和抗氧化能力。

其次，陶瓷涂层是提高高温合金材料耐高温氧化能力的重要方法。

通过涂覆陶瓷材料，可以在材料表面形成有效的隔离层，阻止氧气的渗透和反应，从而降低氧化速率。

磨料喷涂、等离子喷涂和物理气相沉积等技术可以实现陶瓷涂层的制备。

再次，一些特殊的热处理工艺可以产生致密的氧化层，从而提高材料的氧化抗性。

例如，渗碳处理可以在高温合金表面形成一层富碳的氧化层，减少氧气渗透和反应。

其中，高温碳氮渗透可通过改变高温合金表面的化学成分，提高高温合金的抗氧化能力。

热腐蚀是指在高温和腐蚀介质的共同作用下，材料表面发生的腐蚀现象。

高温合金材料通常会用于极端的高温和腐蚀环境中，例如航空发动机内的高温气流和废气处理厂中的高温腐蚀介质。

因此，提高高温合金的热腐蚀性能也是非常重要的。

热处理工艺对高温合金的热腐蚀性能的改善主要通过以下几个方面实现。

首先，热处理工艺能够调整高温合金的化学成分，增加合金中抗腐蚀元素的含量，如铬、钼等，从而提高材料的抗腐蚀能力。

其次，合理的热处理工艺可以改善高温合金的晶界结构，减少晶界腐蚀敏感性。

通过固溶处理和时效处理，可以消除晶界偏析和沉淀，提高材料的晶界结晶度和韧性，从而降低晶界的腐蚀敏感性。

再次，采用表面改性技术可以形成一层陶瓷涂层，提高高温合金的抗腐蚀能力。

例如，电化学磨削、电沉积、等离子喷涂等技术可以在高温合金表面形成致密的陶瓷层，防止腐蚀介质的侵蚀。

高温合金材料的制备和性能测试高温合金材料是指能在高温环境下工作的金属材料。

由于高温环境的特殊性质，高温合金材料具有一系列独特的性质，例如抗氧化、耐热腐蚀、高强度、高温硬度等，因此广泛应用于航空、航天、汽车、核工业等行业。

本文将介绍高温合金材料的制备和性能测试。

一、高温合金材料的制备1. 熔铸法熔铸法是制备高温合金材料的主要方法之一。

该方法的基本原理是将各种金属和非金属元素按照一定的比例混合后，在高温下熔化，再逐步冷却形成所需的合金。

这种方法的优点是制备工艺简单，生产成本低，但是产品质量不容易控制，易产生内部缺陷和杂质。

2. 粉末冶金法粉末冶金法是制备高温合金材料的另一种常见方法。

该方法的基本原理是将金属和非金属粉末按照一定的比例混合，加工成粉末冶金件，然后在高温下进行烧结和变形加工，形成所需的合金。

这种方法的优点是产品的化学成分均匀，内部无缺陷，但是加工难度大，生产成本高。

3. 热处理法热处理法是制备高温合金材料的较为简单的方法之一。

该方法的基本原理是利用热处理的方法改变金属的结晶结构和物理性质，从而达到提高金属高温性能的目的。

这种方法适用于原料成分比较单一、不需要低温环节的高温合金材料制备。

二、高温合金材料的性能测试1. 抗氧化性能测试高温下的氧化是高温合金材料失效的主要原因之一。

因此，抗氧化性能的测试是高温合金材料性能测试中比较关键的一环。

通常采用高温氧化实验和动态载荷下的氧化实验来测试高温合金材料的氧化性能。

2. 耐热腐蚀性能测试高温下的腐蚀也是高温合金材料失效的原因之一。

耐热腐蚀性能的测试旨在了解高温合金材料在具体腐蚀环境下的长期性能。

常用的测试方法包括塔氏液腐蚀、硝酸腐蚀等。

3. 高强度性能测试高强度是高温合金材料具有的一种重要性能。

通过拉伸试验、冲击试验等方法，可以测试高温合金材料的高强度性能。

4. 高温硬度测试高温硬度是指高温下材料的抗压强度。

通常采用压痕硬度仪等设备来测试高温合金材料的高温硬度。

收稿日期：2019-11-08基金项目：航空动力基础研究项目资助作者简介：刘明坤（1988），男，硕士，工程师。

引用格式：刘明坤，李艳明，刘宇，等.不同温度下DSM11镍基高温合金热腐蚀试验[J].航空发动机，2023，49（2）：168-174.LIU Mingkun ，LI Yanming ，LIU Yu ，et al.Hot corrosion behaviors test of DSM11Ni-base superalloy under different temperature[J].Aeroengine ，2023，49（2）：168-174.不同温度下DSM11镍基高温合金热腐蚀试验刘明坤，李艳明，刘宇，刘欢，佟文伟，乔志（中国航发沈阳发动机研究所，沈阳110015）摘要：为了研究DSM11镍基高温合金的抗热腐蚀性能，对该合金在650、750、850℃条件下涂覆5%NaCl+95%Na 2SO 4混合盐膜进行腐蚀试验。

利用金相显微镜（OM ）、扫描电子显微镜（SEM ）、能谱仪（EDS ）和X 射线衍射仪（XRD ）等手段，对合金被腐蚀200h 后的表面形貌、物相组成、元素和腐蚀层的分布情况以及腐蚀机理进行分析。

结果表明：随着试验温度的升高，合金表面腐蚀程度逐渐加重、腐蚀产物组成逐渐复杂、失重加大、腐蚀产物层厚度增大；合金的腐蚀产物层均可分为3层，最外层和中间层主要为氧化物，内层由颗粒状氧化物和硫化物组成，O 和S 的侵入现象表明合金发生了较明显的内氧化与内硫化现象；在3种温度下，合金表面生成连续稳定的Al 2O 3保护层，抑制了热腐蚀反应的进行，对基体存在有效的保护作用，表明合金具有一定的抗热腐蚀性能。

关键词：DSM11镍基高温合金；热腐蚀；内氧化；内硫化；Al 2O 3保护层；航空发动机中图分类号：V252.2文献标识码：Adoi ：10.13477/ki.aeroengine.2023.02.022Hot Corrosion Behaviors Test of DSM11Ni-base Superalloy under Different TemperatureLIU Ming-kun ，LI Yan-ming ，LIU Yu ，LIU Huan ，TONG Wen-wei ，QIAO Zhi（AECC Shenyang Engine Research Institute ，Shenyang 110015,China ）Abstract ：In order to study the thermal corrosion behaviors of DSM11Ni-base superalloy,corrosion tests were conducted on the alloy coated with 5%NaCl+95%Na 2SO 4mixed salt films at 650,750,and 850℃.The surface morphology,phase composition,distribution of ele⁃ments and corrosion layer,and corrosion mechanism of the alloy after 200hours corrosion were analyzed using metallographic microscopy (OM),scanning electron microscopy (SEM),energy dispersive spectroscopy (EDS),and X-ray diffraction (XRD).The results show that with the increase of temperature,corrosion status on the surface of the superalloy gradually becomes serious,corrosion products become compli⁃cated,the loss of mass gradually increases and the thickness of the corrosion layer gradually increases.The corrosion layer of the superalloy can be divided into three layers,the outer and middle layers are multilayer oxides,and the inner layer is composed of granular oxides and sulfides,the intrusions of O and S indicate that the superalloy has obvious internal oxidation and internal sulfuration.At three temperatures,a continuous and stable Al 2O 3protective layer is formed on the alloy surface,which inhibits the thermal corrosion reaction and effectively protects the matrix,indicating that the alloy has a certain thermal corrosion resistance.Key words ：DSM11Ni-base superalloy;thermal corrosion;internal oxidation;internal sulfuration;Al 2O 3protective layer;aeroengine第49卷第2期2023年4月Vol.49No.2Apr.2023航空发动机Aeroengine0引言DSM11镍基高温合金是以镍为基体，能在600~900℃高温下稳定工作，具有较好的抗氧化性、抗燃气腐蚀性、抗疲劳性等优良的综合性能，是燃气轮机涡轮叶片不可替代的关键结构材料[1-3]。

高温合金材料失效分析与改进方法研究概述高温合金材料在航空航天、能源和化工等领域中起着重要作用。

然而，在高温环境下，材料容易受到各种因素的影响而失效。

因此，对高温合金材料的失效分析和改进方法的研究显得尤为重要。

本文将探讨高温合金材料失效的主要原因，分析常见的失效模式，并提出改进方法。

高温合金材料失效原因高温环境下，高温合金材料容易受到以下几个主要因素的影响而失效：1. 氧化高温环境中的氧气会与合金表面相互作用，形成氧化层。

过厚的氧化层会导致材料的力学性能下降，最终导致材料失效。

2. 热腐蚀高温环境中存在的酸性、碱性和盐性化合物会腐蚀合金材料，导致材料的力学性能降低。

3. 疲劳长时间高温下的循环应力加载也会导致合金材料失效。

高温下，材料的循环疲劳寿命会大幅度降低。

常见的高温合金材料失效模式在高温环境中，高温合金材料常见的失效模式包括：1. 脆性断裂高温合金材料在高温下易发生脆性断裂。

脆性断裂会导致材料发生瞬时失效，对于一些关键部位而言，后果可能非常严重。

2. 疲劳断裂由于高温环境下的循环加载作用，高温合金材料容易发生疲劳断裂。

疲劳断裂是材料在长期循环加载下逐渐失效的一种常见模式。

3. 蠕变失效在高温高应力条件下，高温合金材料会发生蠕变现象，导致材料的形变和失效。

改进方法针对高温合金材料的失效问题，我们可以考虑以下改进方法：1. 材料改良通过改变合金材料的组成和制备工艺，可以提高材料的耐高温性能。

例如，添加稀土元素、优化晶粒结构和化学成分等方法可以提高材料的抗氧化和耐腐蚀性能。

2. 表面处理在高温合金材料表面施加涂层可以增强其耐高温性能。

常见的表面处理方法包括热喷涂、化学气相沉积和物理气相沉积等。

3. 结构改进通过改变高温合金材料的结构设计，可以减轻应力集中、提高强度和韧性。

例如，利用复合材料或纳米多孔结构设计可以增强材料的耐热性能。

4. 温度控制合理的温度控制可以减少高温合金材料的失效风险。

通过控制工作温度、制定合理的升温和降温过程等，可以降低材料失效的风险。

高温合金材料腐蚀与失效机理研究随着科技的不断发展，高温合金材料在能源、航空航天等领域中得到了广泛的应用。

然而，在高温、高压、腐蚀等极端环境下，高温合金材料容易出现腐蚀和失效问题。

因此，研究并解决高温合金材料腐蚀与失效机理问题，对于材料的长期稳定运行至关重要。

本文将综述高温合金材料腐蚀与失效机理的研究进展。

一、高温合金材料的基本概念和特点高温合金材料是一种能够在高温环境下保持其机械性能和稳定性能的金属材料。

主要由铬、钴、镍等高熔点金属元素和铝、钛等增加强度的元素构成。

其主要特点包括优异的高温强度、抗氧化性和耐腐蚀性。

二、高温合金材料的腐蚀机理高温环境下，高温合金材料的腐蚀主要表现在氧化腐蚀和硫化腐蚀两方面。

（一）氧化腐蚀由于高温合金材料富含铝、钛等易氧化的金属元素，高温环境下这些元素与氧气发生反应，会形成一层致密的氧化物层覆盖在材料表面，起到一定的保护作用。

但是，在高温高压等极端条件下，氧化物层可能破裂、龟裂或剥落，进而导致基体的暴露，使其遭受腐蚀。

此外，压力、温度和气氛中的化学成分等也常常对高温合金材料的氧化腐蚀机理产生影响。

（二）硫化腐蚀高温合金材料在含硫介质中容易产生硫化腐蚀。

高温环境下，硫化物与合金表面的金属元素发生反应，产生易腐蚀的硫酸盐或硫酸化合物，在高温高压下，这些化合物可能发生高速腐蚀或者渗透进入材料内部，损害材料的性能和结构。

三、高温合金材料的失效机理高温合金材料的失效机理主要表现在应力腐蚀、蠕变和疲劳等方面。

（一）应力腐蚀高温高压环境下，高温合金材料遭受氧化或硫化腐蚀，材料表面的应力会发生变化。

此时，由于材料的应力和环境的化学腐蚀作用的共同影响，材料可能遭受应力腐蚀失效。

（二）蠕变蠕变是高温合金材料失效的另一种主要机理。

蠕变是指材料在高温高应力下，由于原子间的扩散和结构发生变化等原因，其形状和尺寸会发生不可逆的变化。

长期的蠕变作用会导致高温合金材料失效。

（三）疲劳在高温高压、高应力的条件下，高温合金材料容易发生疲劳失效。