incoloy800H是什么材料你知道吗？
1 试样制备与试验方法
1.1 试样制备
试验所用的Incoloy800H合金为供货态管材，其化学成分见表1。采用线切割制备出尺寸为15 mm×10 mm×1 mm的片状试样，用1200#SiC砂纸打磨后，置于丙酮中进行超声清洗，吹干备用。
1.2 试验方法
在水平的管式马弗炉中，采用自主搭建的试验装置9]进行蒸汽氧化试验。将试样悬挂在试样架上，置于石英反应管内，利用高纯N₂先将石英反应管内的空气排除，待马弗炉加热至设定的蒸汽温度(750,850℃)时，关闭N₂;将已预热至250 ℃的电阻率为18.25×10⁸Ω·m的超纯水(溶解氧含量为5～6mg·L⁻¹)泵入到反应管内，生成的水蒸气流量为100～120 mL·s⁻¹,温度分别为750,850 ℃,压力为1.01×10⁵Pa,氧化时间为500 h。
采用不连续称重法测合金的氧化动力学曲线。将试样在水蒸气中氧化一定时间后，关闭水蒸气并通人N₂,冷至室温，随后取出试样，干燥；使用精度
为0.01mg的赛多利斯电子天平称取质量，计算氧化前后的单位面积质量增加值△m,然后将试样再次放入反应炉中继续氧化；循环此过程，得到不同氧化时间下的△m,绘制氧化动力学曲线。
蒸汽氧化试验结束后，利用SHIMAZDU XRD-7000型X射线衍射仪(XRD)分析氧化产物的物相组成，采用铜靶，K。射线，电压为40 kV,扫描速率为8(°)·min⁻¹,扫描角度范围为10°～100°;用ZEISS ∑IGMAHD型扫描电子显微镜(SEM)观察氧化膜的表面形貌和截面形貌，截面形貌观察时使用冷镶法制样，并使用附带的能谱仪(EDS)对氧化物进行成分分析。
2 试验结果与讨论
2.1 氧化动力学曲线
由图1可知：在较高温度(850 ℃)氧化时，试验合金的△m较大且随氧化时间的增大速率较高，即氧化速率较快；将(△m)²与氧化时间t进行拟合，可见二者近似呈线性关系，说明试验合金在750 ℃和850 ℃纯水蒸气中的氧化动力学遵循抛物线规律。(△m)²与t的拟合公式为
(△m)²=kpt (1)
式中：kp为氧化动力学抛物线速率常数。
由图1(b)可以得到试验合金在750,850 ℃水蒸气中氧化时的kp分别为1.61×10-10,1.13×10-⁸g²·cm⁴·h-¹。
2.2氧化膜的物相组成
由图2(a)可知：在750 ℃纯水蒸气中氧化500 h后，试验合金表面的氧化物由(Fe,Mn)₃O₄和(Cr,Mn)₂O₃组成，(Cr,Mn)₂O₃的衍射峰强度明显较高，说明试验合金的表面氧化产物以(Cr,Mn)₂O₃为主；XRD谱中还出现了来自金属基体的衍射峰，且其强度远高于(Fe,Mn)₃O₄和(Cr,Mn)₂O₃的，说明此氧化膜很薄。由图2(b)可知，在850℃纯水蒸气中氧化500 h后，试验合金表面的氧化物组成与在750 ℃纯水蒸气中氧化后的相同，但(Fe,Mn)₃O₄和(Cr,Mn)₂O₃的衍射峰强度相对增强，而基体的衍射峰强度减弱，说明氧化膜的厚度增大。
2.3 氧化膜的微观形貌
由图3(a)、图3(b)可知：在750 ℃纯水蒸气中氧化500 h后，试验合金表面形成凹凸不平的氧化膜，突起处的氧化膜较为疏松，平整区域的则较为致密；放大后可观察到平整区域被片状氧化物覆盖，而突起区域由尺寸较大的颗粒状氧化物组成；氧化膜与基体的界面较为平整，突起处的氧化膜分为两层，外层的衬度为灰色而内层的为深灰色，且外层氧化膜的厚度远大于内层氧化膜的，平整区域的衬度为深灰色，氧化膜为单层结构。EDS分析表明，片状氧化物富铬，颗粒状氧化物富铁。结合图2(a)分析可知，这些氧化物分别由Cr₂O₃和Fe₃O₄组成。片状Cr₂O₃的形成与离子沿缺陷如晶界、位错等“短路扩散通道”的快速扩散有关[10-12]。
由图3(c)、图3(d)可知：当纯水蒸气的温度升至850℃时，试验合金表面氧化膜的形貌衬度差异消失，未出现片状和突起状的氧化物；与750 ℃的相比，在850℃纯水蒸气中氧化后，氧化物的晶粒尺寸增大，氧化膜的厚度增加且更为均匀，平均厚度为(19.2±2.9)μm,与图1的氧化动力学结果一致；氧化膜呈外层疏松、内层致密的双层结构，如图3(d)中箭头所指，且外层氧化膜的厚度远小于内层氧化膜的；在氧化膜下方的基体中沿晶界发生了内氧化。
由图4可知：在750℃纯水蒸气中氧化500 h后，试验合金表面突起处的外层氧化膜富铁，内层氧化膜富铬并含有少量的锰。由此判断，外层氧化膜和内层氧化膜的组成分别为Fe₃O₄和(Cr,Mn)₂O₃。结合图3(b)分析还可发现，在氧化膜下方的基体中形成了富氧区，且氧的面分布图与铬的重合，这说明此区域为铬的内氧化区。结合图2(a)分析可知，此内氧化产物为Cr₂O₃,在内氧化区前沿，Cr₂O₃近乎连续。
由图5可以看出：在850 ℃纯水蒸气中氧化500 h后，试验合金表面外层氧化膜富铁和锰，而内层氧化膜富铬和锰，结合图2(b)分析可知，内、外层氧化膜分别由(Cr,Mn)₂O₃和(Fe,Mn)₃O₄组成；氧化膜下方基体的晶界处发生铝富集，且其面分布图与氧的重叠，这表明铝发生了内氧化，说明图3(d)中的晶界内氧化产物为Al₂O₃。在对湿空气中Incoloy800H合金的氧化行为进行研究时，CHEN等8]有同样的发现，且认为铝的内氧化产物为Al₂O₃。
层氧化膜富铬和锰，结合图2(b)分析可知，内、外层氧化膜分别由(Cr,Mn)₂O₃和(Fe,Mn)₃O₄组成；氧化膜下方基体的晶界处发生铝富集，且其面分布图与氧的重叠，这表明铝发生了内氧化，说明图3(d)中的晶界内氧化产物为Al₂O₃。在对湿空气中Incoloy800H合金的氧化行为进行研究时，CHEN等8]有同样的发现，且认为铝的内氧化产物为Al₂O₃。
2.4 氧化机制
综上所述：Incoloy800H合金在750 ℃纯水蒸气中氧化后形成连续的(Cr,Mn)₂O₃膜，在此膜外表面形成了不连续、突起状的Fe₃O₄,在氧化膜下方的基体中铬发生内氧化形成Cr₂O₃;在850 ℃纯水蒸气中氧化后则形成双层氧化膜，其中外层为薄的(Fe,Mn)₃O₄膜，内层为厚的(Cr,Mn)₂O₃膜，氧化膜下的基体中铝发生内氧化形成Al₂O₃。在此基础上对Incoloy800H合金在高温纯水蒸气中的氧化机制进行探讨。
根据经典氧化理论，在氧化初期，合金表面铁、铬的氧化物Fe₃O₄和Cr₂O₃同时形核，见图6。与菱方结构的Cr₂O₃相比，立方结构Fe₃O,中的缺陷浓度较高，这使得后者以较快的速度生长[1315]。Fe₃O₄的生长是不连续的，往往止于晶界，如图3(b)中箭头所指。其原因可能在于，Cr³+、O²-沿晶界的扩散速率比在晶内的快，富铬氧化物易在晶界处形成，从而抑制了晶界处富铁氧化物的形成[617]。Cr³+的扩散促使Cr₂O₃沿横向和纵向两个方向生长，最终形成连续的Cr₂O₃膜。一旦连续、致密的Cr₂O₃膜形成，合金的氧化质量增加速率就会降低。这是因为Cr₂O₃是一种偏离化学计量比极小的氧化物，其晶格中的缺陷浓度极低，因而阴、阳离子通过Cr₂O₃的扩散速率很低[1820]。在Cr₂O₃的生长过程中，由于Mn³+在Cr₂O₃中的扩散速率远大于Cr³+在其中的扩散速率，Mn³+源源不断地扩散进入Cr₂O₃的晶格内，形成(Cr,Mn)₂O₃固溶体21]。综上，氧化膜的生长受阴、阳离子通过氧化膜的扩散控制，因此合金的氧化动力学遵循抛物线规律[22-23]。
当水蒸气温度升高后，合金的氧化行为发生变化：①离子(和原子)在氧化物(和基体金属)中的扩散加速，合金的氧化速率增加，氧化膜增厚；②(Cr,Mn)₂O₃的快速生长一方面使得Fe²+/Fe³+的扩散距离增大，另一方面铬可将已经氧化的铁还原出来，这降低了外层Fe₃O₄的生长速率，导致其厚度远小于内层(Cr,Mn)₂O₃的；③阴离子(O²-)、阳离子(Cr³+)在氧化物晶格内及晶界处的扩散速率均增大，在晶格内的扩散变得与在晶界处的同等重要[24],(Cr,Mn)₂O₃在晶界的择优生长不再明显，因而对Fe₃O₄在晶界生长的抑制作用减弱，Fe₃O₄生长成连续的一层；④锰可通过内层(Cr,Mn)₂O₃扩散至Fe₃O₄从而形成(Fe,Mn)₃O,固溶体。与在750℃水蒸气中氧化时的相比，在850 ℃水蒸气中氧化时(Cr,Mn)₂O₃的生长大幅加速，铬的消耗增大，氧化膜下方基体中铬含量进一步降低(质量分数约8%,而750 ℃时与氧化膜毗邻基体中铬质量分数约为14%)。根据内氧化产物的形核机制模型[25-28],内氧化区前沿处新的内氧化产物(Cr₂O₃)晶核的形成必须满足一定的条件，即
式中:k为内氧化产物的浓度积;N(为氧化膜与基体界面处氧的含量;Nm)为合金中溶质元素(铭)的含量。
由此推测：试验合金在850℃水蒸气中氧化时未形成Cr₂O₃内氧化物的原因在于其基体中铬的质量分数过低，不满足Cr₂O₃形核所需的临界过饱和度；而由于铬含量较少，基体中铝的相对含量增加，化学稳定性更高的Al₂O₃形核成为可能；随着深度的增加，铝的内氧化程度降低。
3结 论
(1) 在750 ℃和850℃纯水蒸气中氧化时，Incoloy800H合金的氧化动力学遵循抛物线规律，水蒸气温度升高后合金的氧化速率增大。
(2) 在750 ℃纯水蒸气中氧化后，Incoloy800H合金表面形成连续致密的(Cr,Mn)₂O₃膜，其表面存在不连续、突起状且结构疏松的Fe₃O₄层；纯水蒸气温度升高至850 ℃后，Fe₃O₄生长成为连续的一层且其中有少量锰富集，其厚度远小于内层(Cr,Mn)₂O₃膜的厚度。
(3)在750 ℃纯水蒸气中氧化后，表面氧化膜中(Cr,Mn)₂O₃层下方基体中的铬被内氧化生成Cr₂O₃;温度升高至850℃,在氧化膜下方的基体中仅有铝沿晶界发生内氧化形成Al₂O₃。
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