超临界CO_(2)腐蚀对耐热材料力学性能影响研究进展

超临界二氧化碳循环系统为清洁能源发展提供了新途径,但高温与含碳环境对耐热材料力学性能和抗腐蚀性能等提出了新的挑战。温度过高时,结构材料在抗氧化性和结构完整性等方面性能要更优异,超临界CO_(2)环境下腐蚀与渗碳综合作用会使耐热钢形成碳化物,造成其抗氧化性和力学性能降低。因此,建立安全稳定超临界CO_(2)循环发电系统的前提是明确在超临界CO_(2)环境中候选材料的最高长时使用温度,以及确定腐蚀与渗碳的综合作用对候选材料的蠕变性能与抗渗碳能力的影响。该文总结国内外关于超临界二氧化碳腐蚀对耐热钢、镍基合金等耐热材料力学性能影响的研究现状,分析合金成分、温度、压力、杂质等因素对耐热材料力学性能的影响规律,讨论渗碳对于裂纹生长以及裂纹扩展等的影响机理,并提出目前实验以及分析的不足之处及未来的发展方向。

超临界CO_(2)材料腐蚀过程动力学与产物热力学研究

针对超临界CO_(2)动力循环高温承压部件与工质相容性问题,研究了T92耐热钢在600和700℃超临界CO_(2)环境下的腐蚀过程动力学及其热力学产物。采用分子动力学计算了CO_(2)在FeCr合金表面的吸附过程,模拟了T92耐热钢在初始氧化阶段原子的迁移和分布规律,并基于腐蚀热力学原理,分析了氧化层和碳化物的分布规律,最后通过高温腐蚀实验进行了验证。研究结果表明:700℃时,T92耐热钢氧化层厚度约为600℃时的13.5倍,氧化层结构为外侧Fe_(3)O_(4)层、内侧FeCr_(2)O_(4)层,氧化层内部主要为C 23 C 6型碳化物;CO_(2)优先吸附于Cr原子(111)表面,当Cr与CO_(2)发生反应后,部分形成游离态的C沉积于氧化层表面,并以离子的形式向内扩散;腐蚀过程主要由离子扩散控制,扩散速率随着温度的升高而增大。该研究为超临界CO_(2)材料抗腐蚀性能评估提供了一种复合分析方法,也为关键高温承压部件材料的遴选及腐蚀寿命预测提供了数据支撑。

超临界CO_(2)环境下典型汽轮机关键部件用材腐蚀行为研究

为了解超临界CO_(2)环境下3种典型汽轮机高温部件材料(耐热钢1Cr10Mo1NiWVNbN、Co3W3与高温镍基合金IN718)的腐蚀行为,本文采用材料腐蚀增重、腐蚀产物微观表征与腐蚀热力学计算相结合的方法获得了这3种材料表面腐蚀产物的形成与变化规律。结果表明,超临界CO_(2)环境下IN718的腐蚀增重远低于两种耐热钢的腐蚀增重,两种耐热钢腐蚀增重曲线符合抛物线型腐蚀规律,说明腐蚀过程受离子扩散控制。结合腐蚀反应自由能变化与产物反应平衡氧分压可知,3种材料在该环境下同时发生氧化和碳化反应,高温镍基合金IN718表面腐蚀产物主要由Cr_(2)O_(3)构成,而耐热钢1Cr10Mo1NiWVNbN和Co3W3表面腐蚀产物为Fe_(2)O_(3)、Fe_(3)O_(4)和(Fe,Cr)_(3)O_(4),且碳化反应严重,形成Fe与Cr碳化物。由腐蚀增重、腐蚀产物和碳化产物厚度可知,该超临界CO_(2)环境下3种材料的抗腐蚀性能依次为:IN718>Co3W3>1Cr10Mo1NiWVNbN。

压水堆核电站二回路水化学处理用碱化剂研究进展

压水堆核电站二回路中流动加速腐蚀(FAC)是导致管道失效的主要原因之一,其水化学工况直接关乎核电机组的安全性与经济性。水化学处理中采用的无机胺碱化剂逐渐被有机胺所替代,使用单一有机胺及复合碱化剂的水化学工况可显著降低FAC的速率,提高结构材料的运行寿命。本文针对国内外单一有机胺及复合碱化剂的研究现状指出:复合碱化剂性能优于单一有机胺,且运行成本低;针对复合碱化剂热稳定性问题,提出采用N,N-二乙基羟胺(DEHA)等新型除氧剂代替联胺,可实现复合碱化剂与除氧剂的协同发展。

高温CO_(2)环境下表面划痕对耐热钢T92、TP347H和TP347HFG腐蚀行为的影响

针对热能动力设备结构材料在高温CO_(2)环境下的潜在腐蚀问题,采用间隔取样对比法研究了表面存在划痕的耐热钢T92、TP347H和TP347HFG在600℃CO_(2)环境中的腐蚀行为。采用X射线衍射仪、扫描电镜和能谱分析仪对腐蚀产物的成分、分布及含量进行表征。实验结果表明:3种实验材料的腐蚀动力学曲线均遵循抛物线型规律;材料表面划痕加剧了耐热钢T92的内氧化,导致TP347H和TP347HFG表面划痕内部出现剥落现象。根据腐蚀热力学计算,给出了TP347H在600℃CO_(2)环境中的Cr-C-O相图,明确了碳化物的分布。对比TP347H和TP347HFG发现晶粒细化加剧了渗碳行为,恶化了贫Cr区,破坏了富Cr氧化膜,从而降低了TP347HFG的抗腐蚀性能。

超临界二氧化碳环境中耐热材料的腐蚀行为研究

选取5种典型耐热材料T91、VM12、Super 304H、Inconel 617和Sanicro 25为实验材料,在600℃、15 MPa条件下进行超临界二氧化碳腐蚀实验。通过分析天平获得耐热材料增重量变化;利用拉曼光谱仪、X射线衍射仪和辉光放电光谱仪对耐热材料表面腐蚀产物进行物相和成分表征;利用电子显微镜进行表面和断面形貌观测,最后分析耐热材料的腐蚀行为。结果表明:T91和VM12符合抛物线型腐蚀动力学规律,Super 304H、Inconel 617和Sanicro 25则增重量不明显,没有明显规律;增重量与耐热材料的Cr质量分数呈反比关系;在高温超临界二氧化碳环境中耐热材料发生了氧化和碳化反应;T91和VM12没有贫Cr现象,而Super 304H、Sanicro 25和Inconel 617则具有明显的贫Cr区域,且贫Cr区域厚度由小到大依次为:Inconel 617<Sanicro 25<Super 304 H。

某燃气轮机燃烧室合金高温蒸汽氧化行为研究

采用蒸汽氧化实验与热力学理论计算研究了DD5,K447A,GH3230以及GH3536共计4种燃气轮机用典型高温合金在高温蒸汽中的氧化行为。在1000℃下含10%H_(2)O的空气中,合金GH3230和K447A氧化增重遵循抛物线氧化规律,合金DD5和GH3536出现失重情况。合金K447A与GH3230表面形成了Cr_(2)O_(3)和Al_(2)O_(3)为主的氧化产物,其中合金GH3230因Al含量较低而发生内氧化现象。DD5表面发生Al_(2)O_(3)氧化膜剥落,而GH3536出现氧化物挥发。结果表明,4种合金的抗蒸汽氧化性能排序为K447>GH3230>DD5>GH3536。

超临界CO_(2)环境下Fe-22Cr-25Ni奥氏体耐热钢的腐蚀行为研究

研究了Fe-22Cr-25Ni奥氏体耐热钢在600℃/700℃、15 MPa超临界CO_(2)环境中的高温腐蚀行为。采用拉曼光谱仪、辉光放电光谱仪、扫描电镜和能谱分析仪对腐蚀产物的成分、含量和元素分布进行表征。实验结果表明:Fe-22Cr-25Ni奥氏体耐热钢在600℃/700℃下的腐蚀动力学符合类抛物线规律,腐蚀增重的变化量随温度的升高而增大;通过观察表征结果和热力学计算得出腐蚀产物成分主要为Cr_(2)O_(3),从气体侧到基体侧依次为最外侧的是Mn的氧化物、内部的Cr_(2)O_(3)和Mn-Cr氧化物、氧化层/基体界面处的SiO_(2)层,以及基体内的碳化物和内氧化物;C主要沉积于腐蚀产物表面,贫Cr区的宽度和深度随时间的增大而增大。同时根据O元素和C元素的质量比及热力学计算结果,提出C极有可能以离子状态发生内扩散。