CN101566555B - 一种高精度浸盐热腐蚀试验方法 - Google Patents

Abstract

选表面光洁度为2.5微米的样品，清洗吹干后放入氧化铝坩埚中用盐填满；将坩埚放入设定温度下的箱式马弗炉后，开始记录时间；每隔一定周期加盐，到达设定保温时间后取出坩埚冷却，向坩埚加蒸馏水并置于玻璃皿中，冷却后将样品和液体倒入大烧杯，反复清洗坩埚并将液体装入大烧杯；将大烧杯放入恒温水域中30～50min；取出大块样品置于大烧杯口上部，用蒸馏水冲洗2～3次后放入小烧杯中；过滤大烧杯中的溶液并将产物冲洗到小烧杯中，将小烧杯烘干后称重记录数据，将数据代入公式计算出单位面积质量增量，并以其为纵坐标，以保温时间为横坐标，绘制样品热腐蚀动力学曲线图，用origin8.0软件线性模拟该图中数据点，得出样品增重曲线方程，该方程斜率即为该合金热腐蚀速率。

Description

一种高精度浸盐热腐蚀试验方法

技术领域

本发明涉及一种热腐蚀试验方法，特别是一种高精度浸盐热腐蚀试验方法。

背景技术

金属材料在高温(600～1200℃)环境中工作时，经常由于燃料中含有的杂质，如硫、钾、钠、钒等，在燃烧时形成如SO₂、SO₃、H₂S、V₂O₅、CO、CO₂等气体与空气中的氧、NaCl等反应而加速材料的腐蚀。特别是，随着燃气轮机在发电、舰船等工业中的广泛应用，低质燃料和海洋大气的共同作用，往往会引起金属材料的加速腐蚀，有时甚至造成灾难性的事故。上述腐蚀现象可以总结为：金属或合金表面沉积熔融盐(NaCl、Na₂SO₄)而引起腐蚀，这种腐蚀如今被广泛称为热腐蚀。

因此对金属材料的抗热腐蚀性能进行评定，进而确定材料的抗热腐蚀性能的水平是很有意义的。

发明内容

本发明提供了一种高精度浸盐热腐蚀试验方法，该方法可以准确称量热腐蚀过程中的质量增量，使试验数据的可信度更高。

本发明提供的一种高精度浸盐热腐蚀试验方法，其特征在于具体步骤如下：

(1)试验准备工作：

选用恒重氧化铝坩埚和固定尺寸的热腐蚀样品，要求样品的体积小于选用氧化铝坩埚的四分之一，样品表面光洁度要达到Ra为2.5微米；

根据样品材料的使用温度选择适当的试验温度，在试验温度下空烧马弗炉至少40h，空烧后清理炉膛内的脱落物质，防止在热腐蚀试验过程中掉落坩埚中；

氧化铝坩埚在1100℃空烧至少40h后，选取内壁及边缘光滑的坩埚待用；

选用大小两种烧杯，大烧杯体积要大于腐蚀样品体积的1000倍，小烧杯体积要大于腐蚀样品体积的20倍，用酒精清洗烧杯内外壁，吹干后称量重量并记录称重数据后待用；

选取保温时间；

(2)试验过程：

首先将样品用丙酮超声清洗5～10分钟，后用酒精超声清洗1～3分钟，取出吹干后测量尺寸，称量重量。

然后将样品放入恒重氧化铝坩埚中，样品放置高度应低于坩埚深度的二分之一，用盐添满坩埚，等箱式马弗炉升温到设定温度后，放入装有样品和盐的坩埚，待温度稳定到设定温度后开始记录时间，每隔一定周期重新加盐，加盐周期一般为5～10小时；到达试验设定的保温时间后用坩埚钳取出坩埚，取出过程中只允许坩埚钳接触坩埚外壁，防止取放坩埚过程中混入其它物质，取出坩埚放在玻璃器皿中空冷，以防止灰尘落入；冷却后向坩埚中加入蒸馏水，要确保无液体溢出，加入蒸馏水后将坩埚置于密封的玻璃皿中静置，冷却到室温后将样品和液体一起倒入恒重的大烧杯中，按以上操作反复清洗坩埚至少10次，每次冲洗的液体都装入大烧杯中，最后 要用装有蒸馏水的洗瓶冲洗坩埚内壁，冲洗的液体置入大烧杯中；向大烧杯中加入蒸馏水使液体达到大烧杯容量的60％～90％，然后将大烧杯放入温度为70～90℃的恒温水域中静置30～50min。

之后用镊子从大烧杯中取出大块样品，置于烧杯口的上部，用装有蒸馏水的洗瓶冲洗样品2～3次，将样品放入恒重小烧杯中，放在密封玻璃皿中待用；将大烧杯中的溶液用定量滤纸过滤，并用蒸馏水冲洗大烧杯中腐蚀残留物到滤纸上，然后用蒸馏水冲洗滤纸上的残留腐蚀产物5～10次，将腐蚀产物冲洗到小烧杯中，最后将小烧杯放入烘干箱中烘干后取出，称重并记录数据；

试验中每个样品的处理完全按照以上相同的试验步骤进行，每个样品对应一个不同的保温时间；

(3)计算：

将所得试验数据代入以下公式：

表面积公式：S_表＝2×(长×宽+宽×高+长×高)÷100

其中S_表-样品表面积，单位cm²；长、宽、高-样品边长，单位mm；

质量增量：Δm＝m_后-m_前

其中Δm-质量增量，m_前-腐蚀前质量，m_后-腐蚀后质量，单位均为mg；

单位面积的质量增量：Δm′＝Δm/S_表

其中Δm′-单位面积的质量增量，单位mg/cm²；

以保温时间为横坐标，单位面积质量增量为纵坐标，绘制样品合金的热腐蚀动力学曲线图，再利用origin8.0软件线性模拟该曲线图中的数据点，得出样品合金的增重曲线方程，所得方程的斜率即为该合金的热腐蚀速率。

附图说明

图1为DZ125和IN738合金在900℃下热腐蚀动力学曲线图；

图2为DZ125L和DZ68合金在850℃下热腐蚀动力学曲线图。

具体实施方式

计算所需公式：

表面积公式：S_表＝2×(长×宽+宽×高+长×高)÷100            1)

其中S_表-样品表面积，单位cm²；长、宽、高-样品边长，单位mm；

质量增量：Δm＝m_后-m_前                                     2)

其中Δm-质量增量，m_前-腐蚀前质量，m_后-腐蚀后质量，单位均为mg；

单位面积的质量增量：Δm′＝Δm/S_表                         3)

其中Δm′-单位面积的质量增量，单位mg/cm²。

实施例1：

比较DZ125和IN738合金的抗热腐蚀性能，两种镍基高温合金的主要化学成分见表1，试验温度选择为900℃，试验所用盐为：NaCl∶Na₂SO₄＝1∶3的固体颗粒，要求机械方法混合均匀，需要准备至少3瓶500g的Na₂SO₄和1瓶500g的NaCl。试验选取的18个时间点见表2，选择两种合金的样品各18个，样品尺寸均为10×10×15mm，表面光洁度为Ra＝2.5微米；选择60个氧化铝坩埚，尺寸均为：高度30mm，内径范围 

准备2个体积为1500ml的大烧杯，2个体积为100ml的小烧杯。

表1DZ125和IN738合金的化学成分(重量百分含量，％)

试验所需仪器设备：

氧化铝坩埚，不锈钢坩埚钳，烧杯，精度10万分之一的电子天平，烘干箱，恒温水域加热仪，马弗炉，洗瓶，超声清洗仪，游标卡尺，不锈钢镊子，电动吹风机，漏斗。

试验所需试剂：

蒸馏水，慢速定量滤纸，丙酮，酒精，Na₂SO₄和NaCl。

(1)试验准备工作：

1)将加工好的DZ125和IN738镍基高温合金的样品，用丙酮超声清洗8分钟，然后用酒精超声清洗2分钟，取出吹干后用游标卡尺测量尺寸，用电子天平称量重量，记录数据于表2、表3。

2)在900℃温度下空烧马弗炉40h，空烧后清理干净炉膛。

3)将60个氧化铝坩埚在1100℃空烧40h后，从中选取内壁及边缘光滑的36个坩埚待用。

4)将选用的1500ml的大烧杯和100ml的小烧杯，用酒精清洗内外壁，吹干后称量小烧杯重量，并记录数据后待用，小烧杯质量为76.8574g。

(2)试验操作步骤：

1)样品装炉

取DZ125和IN738合金相同保温时间的样品各一个，分别放入氧化铝 坩埚中，并向坩埚中加满盐，在马弗炉温度达到900℃后，将两个坩埚放到炉中，当温度稳定到900℃后开始记录时间，添加盐的周期为6h。

2)样品的出炉

以保温时间1h为例：保温时间到达1h后，用不锈钢坩埚钳将两个坩埚分别取出，坩埚取出过程中只允许坩埚钳接触坩埚外壁，防止取放坩埚过程中混入其它物质，取出的坩埚放在玻璃器皿中空冷至室温。

其它时间点的样品出炉操作同上。

3)样品的清洗

向冷却到室温的坩埚中加入蒸馏水，加蒸馏水过程中要确保无液体溢出；坩埚加入蒸馏水后放置密封的玻璃皿中静置1.5h，然后将样品和液体一起到入恒重的大烧杯中；按以上操作反复清洗坩埚12次，每次冲洗坩埚的液体都装入恒重的大烧杯中，最后要用装有蒸馏水的洗瓶冲洗坩埚内壁3次，冲洗的液体置入大烧杯中。向大烧杯中加入蒸馏水使液体量达到1000ml，然后将烧杯放入温度为90℃的恒温水域中放置40min。

4)腐蚀后样品的称量

恒温水域加热40min后，用不锈钢镊子从大烧杯中取出大块样品，放置在烧杯口的上部，用装有蒸馏水的洗瓶冲洗镊子所夹的样品3次，然后将样品放入恒重的100ml小烧杯中，置于密封的玻璃皿中待用。将大烧杯中的溶液过滤，滤纸选用慢速定量滤纸，并用蒸馏水冲洗大烧杯中腐蚀残留物到滤纸上，然后用蒸馏水冲洗滤纸上的残留腐蚀产物8次，最后将腐蚀产物冲洗到小烧杯中，将恒重小烧杯放入烘干箱中烘干后，用电子天平称量烧杯和样品的重量和，然后减去小烧杯的质量得到腐蚀后的样品实际 重量，并记录数据于表2、表3。

试验中的每个样品的处理完全按照以上相同的试验步骤进行，要求一个样品对应一个固定的保温时间。

(3)试验结果和分析：

两种合金的热腐蚀试验数据，分别见表2和表3，表2为DZ125合金在900℃，不同时间热腐蚀后的试验数据，表3为IN738合金在900℃，不同时间热腐蚀后的试验数据。其中表面积计算按照公式1)计算，增加质量Δm按照公式2)计算，单位面积的质量增量按照公式3)计算，将结果记录于表2、表3。

表2  DZ125合金900℃不同时间浸盐试验数据

表3 IN738合金900℃不同时间的浸盐试验数据

根据表2、3的数据，以保温时间为横坐标，单位面积质量增量为纵坐标，利用Origin8.0绘图软件绘制DZ125和IN738合金的热腐蚀动力学曲线，图1为DZ125和IN738合金的900℃热腐蚀动力学曲线图。

利用origin8.0软件线性模拟图1中的数据点。得出DZ125和IN738合金的增重曲线方程，DZ125合金的增重曲线方程为y＝59.6x-54，IN738合金的增重曲线方程为y＝2.13x+2.73。

模拟线性方程的斜率为合金的热腐蚀速率，在试验条件下，DZ125合金的热腐蚀速率为59.6mg/(cm²*h)，IN738合金的热腐蚀速率为2.13mg/(cm²*h)，可见DZ125合金的热腐蚀速率明显的大于IN738合金的，表明DZ125合金的抗热腐蚀能力明显的低于IN738合金。

实施例2：

比较DZ125L和DZ68合金的抗热腐蚀性能，两种镍基高温合金的主要化学成分见表4，试验温度选择为850℃，试验所用盐为：NaCl∶Na₂SO₄＝1∶2的固体颗粒，要求机械方法混合均匀，需要准备至少2瓶500g的Na₂SO₄和1瓶500g的NaCl。试验选取的8个时间点见表5，需要两种合金的样品各8个，样品尺寸为10×10×10mm，表面光洁度为Ra＝2.5微米；选择40个氧化铝坩埚，坩埚均尺寸为：高度为30mm，内径范围为φ18～φ30mm；准备2个体积为1000ml的大烧杯，2个体积为50ml的小烧杯。

表4 DZ125L和DZ68合金的化学成分(重量百分含量，％)

试验所需仪器设备：

氧化铝坩埚，不锈钢坩埚钳，烧杯，精度10万分之一的电子天平，烘干箱，恒温水域加热仪，马弗炉，洗瓶，超声清洗仪，游标卡尺，不锈钢镊子，电动吹风机，漏斗。

试验所需试剂：

蒸馏水，慢速定量滤纸，丙酮，酒精，Na₂SO₄和NaCl。

试验的准备工作：

1)将加工好的DZ125L和DZ68镍基高温合金的样品，用丙酮超声清洗7分钟，然后用酒精超声清洗3分钟，取出吹干后用游标卡尺测量尺寸，用电子天平称量重量，记录数据于表5、表6。

2)在850℃温度下空烧马弗炉50h，空烧后清理干净炉膛。

3)将40个氧化铝坩埚在1100℃空烧50h后，从中选取内壁及边缘光滑的16个坩埚待用。

4)将选用的1000ml的大烧杯和50ml的小烧杯，用酒精清洗内外壁，吹干后称量小烧杯重量，并记录数据后待用，50ml烧杯质量为33.8581g。

热腐蚀试验操作步骤：

1)样品装炉

取DZ125L和DZ68合金相同保温时间的样品各一个，分别放入氧化铝坩埚中并用盐添满，在马弗炉温度达到850℃后，将两个坩埚放到炉中，当温度稳定到850℃后开始记录时间，添加盐的周期为10h。

2)样品的出炉

以保温时间3h为例：保温时间到达3h后，用不锈钢坩埚钳将两个坩埚分别取出，坩埚取出过程中只允许坩埚钳接触坩埚外壁，防止取放坩埚过程中混入其它物质，取出的坩埚放在玻璃器皿中空冷至室温。

其它时间点的样品出炉操作同上。

3)样品的清洗

向冷却到室温的坩埚中加入蒸馏水，加蒸馏水过程中要确保无液体溢出；坩埚中加入蒸馏水后放置密封的玻璃皿中静置1h，然后将样品和液体一起到入恒重的大烧杯中；按以上操作反复清洗坩埚10次，每次冲洗坩埚的液体都装入恒重的大烧杯中，最后要用装有蒸馏水的洗瓶冲洗坩埚内壁3次，冲洗的液体置入大烧杯中。然后向大烧杯加入蒸馏水使液体量达到800ml，然后将烧杯放入温度为80℃的恒温水域中放置50min。

4)腐蚀后样品的称量

恒温水域加热50min后，用不锈钢镊子从大烧杯中取出大块样品，放置在烧杯口的上部，用装有蒸馏水的洗瓶冲洗镊子所夹的样品2次，将样品放入恒重的50ml小烧杯中，置于密封的玻璃皿中待用。将大烧杯中的溶液过滤，滤纸选用慢速定量滤纸，并用蒸馏水冲洗大烧杯中腐蚀残留物到滤纸上，然后用蒸馏水冲洗滤纸上的残留腐蚀产物9次，最后将腐蚀产物冲洗到小烧杯中，将恒重小烧杯放入烘干箱中烘干后，用电子天平称量烧杯和样品的重量和，然后在减去小烧杯的质量得到腐蚀后的样品实际重量，并记录数据于表5、表6。

试验中的每个样品的处理完全按照以上相同的试验步骤进行，要求一个样品对应一个固定的保温时间。

试验结果和分析：

两种合金的热腐蚀试验数据，分别见表5和表6。表5为DZ125L合金在850℃不同时间热腐蚀后的试验数据，表6为DZ125L、DZ68合金在850℃不同时间热腐蚀后的试验数据，其中表面积计算按照公式1)计算，增加质量Δm按照公式2)计算，单位面积的质量增量按照公式3)计算，将结果记录于表5、表6。

根据表5、6的数据，以保温时间为横坐标，单位面积质量增量为纵坐标，利用Origin8.0绘图软件绘制DZ125L和DZ68合金的热腐蚀动力学曲线，图2为DZ125L和DZ68合金的850℃热腐蚀动力学曲线图。

从数据点分布可见非线性规律分布，因此利用origin8.0软件的二次多相式模拟图2中的数据点，得出DZ125L和DZ68合金的增重曲线方程， DZ125L合金的增重曲线方程为y＝2.35+0.32x-0.008x²，DZ68合金的增重曲线方程为y＝0.79-0.08x+0.003x²。

表5DZ125L合金850℃不同时间浸盐试验数据

表6DZ68合金850℃，不同时间浸盐试验数据

对DZ125L和DZ68合金的增重曲线的方程求一阶导数得到两种合金的腐蚀速率变化方程，DZ125L为：dy/dx＝0.32-0.016x，DZ68为：dy/dx＝-0.08+0.006x。

从腐蚀速率变化方程可见，DZ68合金的具有很长时间的热腐蚀孕育期，而DZ125L合金的热腐蚀孕育期很短，在保温时间不超过50h，DZ68合金 的腐蚀速率大于DZ125L合金，也就是说在850℃保温时间不超过50h时，DZ68合金的抗热腐蚀性能明显好于DZ125L合金。随着保温时间超过50h，两种合金都发生了严重的热腐蚀。

Claims (1)

1.一种高精度浸盐热腐蚀试验方法，其特征在于：

(1)试验准备工作：

选用恒重氧化铝坩埚和固定尺寸的热腐蚀样品，要求样品的体积小于选用氧化铝坩埚的四分之一，样品表面光洁度要达到Ra为2.5微米；

根据样品材料的使用温度选择适当的试验温度，在试验温度下空烧马弗炉至少40h，空烧后清理炉膛内的脱落物质；

氧化铝坩埚在1100℃空烧至少40h后，选取内壁及边缘光滑的坩埚待用；

选用大小两种烧杯，大烧杯体积要大于腐蚀样品体积的1000倍，小烧杯体积要大于腐蚀样品体积的20倍，用酒精清洗烧杯内外壁，吹干后称量重量并记录称重数据后待用；

选取保温时间；

(2)试验过程：

首先将样品用丙酮超声清洗5～10分钟，后用酒精超声清洗1～3分钟，取出吹干后测量尺寸，称量重量；然后将样品放入恒重氧化铝坩埚中，样品放置高度应低于坩埚深度的二分之一，用盐添满坩埚，等箱式马弗炉升温到设定温度后，放入装有样品和盐的坩埚，待温度稳定到设定温度后开始记录时间，每隔一定周期重新加盐，加盐周期为5～10小时；到达试验设定的保温时间后用坩埚钳取出坩埚，取出过程中只允许坩埚钳接触坩埚外壁，取出坩埚放在玻璃器皿中空冷；冷却后向坩埚中加入蒸馏水，要确保无液体溢出，加入蒸馏水后将坩埚置于密封的玻璃皿中静置，冷却到室温后将样品和液体一起倒入恒重的大烧杯中，按以上操作反复清洗坩埚至少10次，每次冲洗的液体都装入大烧杯中，最后要用装有蒸馏水的洗瓶冲洗坩埚内壁，冲洗的液体置入大烧杯中；向大烧杯中加入蒸馏水使液体达到大烧杯容量的60％～90％，然后将大烧杯放入温度为70～90℃的恒温水域中静置30～50min；用镊子从大烧杯中取出大块样品，置于烧杯口的上部，用装有蒸馏水的洗瓶冲洗样品2～3次，将样品放入恒重小烧杯中，放在密封玻璃皿中待用；将大烧杯中的溶液用定量滤纸过滤，并用蒸馏水冲洗大烧杯中腐蚀残留物到滤纸上，然后用蒸馏水冲洗滤纸上的残留腐蚀产物5～10次，将腐蚀产物冲洗到小烧杯中，最后将小烧杯放入烘干箱中烘干后取出，称重并记录数据；

试验中每个样品的处理完全按照以上相同的试验步骤进行，每个样品对应一个不同的保温时间；

(3)将所得试验数据代入以下公式：

表面积公式：S_表＝2×(长×宽+宽×高+长×高)÷100

其中S_表-样品表面积，单位cm²；长、宽、高-样品边长，单位mm；

质量增量：Δm＝m_后-m_前

其中Δm-质量增量，m_前-腐蚀前质量，m_后-腐蚀后质量，单位均为mg；

单位面积的质量增量：Δm′＝Δm/S_表

其中Δm′-单位面积的质量增量，单位mg/cm²；

以保温时间为横坐标，单位面积质量增量为纵坐标，绘制样品合金的热腐蚀动力学曲线图，再利用origin8.0软件线性模拟该曲线图中的数据点，得出样品合金的增重曲线方程，所得方程的斜率即为该合金的热腐蚀速率。

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