T91钢的高温水蒸汽氧化动力学研究
T91钢是美国上世纪七十年代研制开发的火力发电厂锅炉蒸汽管道、集热箱、再热器、蒸汽导管等用热强钢，该钢具有高的许用应力，高的持久强度，高的蠕变抗力，高的疲劳强度，高的热导率，良好的焊接性，较好的抗蚀性，广泛应用于美、欧、日等先进国家的火力发电厂，并取得了良好的经济效益。我国于“八五”期间引进了该钢种，并进行了国产化研究与生产。但是目前国内对于T91钢的水蒸汽腐蚀研究较少，尤其是氧化动力学这部分更是空白。本文主要对T91钢在高温水蒸汽介质环境下的氧化动力学进行研究，为T91钢在电站安全运行提供可靠依据。
经本文研究表明，无论在水蒸汽还是在空气介质下，T91钢在700℃前后的动力学规律是有区别的。T91钢在550℃、600℃和650℃时的水蒸汽氧化动力学遵守y2=kt+c二次抛物线规律；在700℃和750℃时遵守y=kt+c的双直线规律。T91钢在650℃和675℃时的空气氧化动力学曲线遵守三次抛物线规律y3=kt+c，其中k为氧化速率，c为氧化常数；在700℃时的空气氧化动力学曲线遵守双直线规律y=kt+c。在相同的温度点，空气介质下遵循的三次抛物线规律的抗氧化性要好于水蒸汽介质下遵循的二次抛物线规律的抗氧化性。
T91钢高温水蒸汽氧化在550℃、600℃和650℃时的快速氧化阶段的氧化系数比慢速氧化系数快1个数量级；在700℃和750℃的快速氧化阶段的氧化系数比慢速氧化系数快2个数量级。T91钢在空气介质中的氧化按各个曲线本身的快慢阶段进行回归分析，快速氧化的氧化速率比慢速氧化的氧化速率快2～3个数量级；当各曲线取相同的氧化量进行分析，则675℃的曲线所用时间短得多，而且氧化速率快许多；若在慢速阶段取相同的时间段，则675℃的曲线比650℃的曲线的氧化量和氧化速率均快一个数量级。在650℃和700℃这两个相同的温度点，T91钢在水蒸汽中的氧化速率要大于空气中的氧化速率。
经本文研究发现，T91钢在低于650℃和高于700℃时，发生水蒸汽氧化反应后氧化层外表面具有明显不同的形貌。在低于650℃时，氧化层最外层出现透明薄片的须状晶芽；在高于700℃时，氧化层外层出现的是柱状晶芽。在650℃时，氧化层外层除了出现晶芽之外，还生长有团簇状结构。650℃时团簇状结构的直径约为4.4μm，随着温度升高，团簇状结构的直径也增大，700℃时直径约为6.4μm，而750℃时直径约为12.5μm左右。团簇状结构内存在大量的空隙，在团簇状结构密集的地方，晶芽出现比较少；而在晶芽密集的地方，团簇状结构比较少，且晶芽大部分出现于团簇状结构之间的低凹处，也有小部分出现于团簇状结构之上。
在水蒸汽介质下，随着温度的升高，氧化层逐渐增厚，氧化层脆性逐渐增大，氧化层内部从颗粒状组织，到出现柱状晶，具有明显的柱状晶到粗大的柱状晶，且在700℃和750℃时氧化层断裂剥落后的表面可以看到一颗颗断口平齐的柱状断口，且在柱状断口之间存在大量空隙，这也说明了随着温度升高，氧化层脆性增大的原因。
在500℃、16.7MPa的高温高压水蒸汽条件下，经过72h，T91钢形成的氧化层致密结实，厚度约为6μm，根据能谱分析和X-Ray分析，氧化层的成分为85﹪的(CrFe2)O4和14﹪的Fe-Cr。T91钢焊接接头形成的氧化层分为三层，由内而外，厚度分别为0.13μm4.49μm和1.54μm左右。其中中层为细密的颗粒状组织，而外层的颗粒状组织比较粗大。氧化层内层和基体结合非常牢固，中层和外层有少量剥落。
钢材;氧化层;高温水蒸汽;须状晶芽;团簇状结构;水蒸汽腐蚀;氧化动力学
西安工业大学
硕士
材料加工工程
刘江南
2006
中文
TG142;TG172.82
91
2007-05-23（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）