[发明专利]表面合金化的高温合金

说明书

发明背景

(ⅰ)发明的领域

本发明涉及产生高温合金制品用的保护表面合金的涂层体系。更准确地说，涂层体系所产生的表面合金具有控制着其显微结构性能，以赋于高温合金制品预定的一些有益的性能，包括提高耐焦化性、耐碳化性和制品的持久性。

(ⅰ)现有技术的说明

不锈钢是一组基于铁、镍和铬为主要组分的合金，其添加剂可以是碳、钨、铌、钛、钼、锰及硅，以便获得各种特定的结构和性能。已知的主要类型有马氏体、铁素体、双相奥氏体。奥氏体不锈钢一般用于需要高强度及高耐腐蚀的地方。这样的钢被称之为高温合金(HTAs)，它被用于通常在650℃以上的工业加工过程中，最高不超过约1150℃。主要的奥氏体合金通常具有的成分为18wt％～38wt％的铬、18wt％-48wt％的镍，余量为铁和合金化添加剂。

高温合金(HTAs)的主体成分的设计在物理性能上要考虑强度和耐蠕变性，而表面的化学性能要考虑耐腐蚀性，腐蚀的各种类型取决于操作环境，包括碳化、氧化和硫化。基体合金的保护往往是由富集的铬氧化物表面来完成的。所用的合金的这种特定成分体现了物理性能(基体)和化学性能(表面)的最佳选配。借助表面合金表面的化学性能的选定和通过合金的基体成分所确定的物理性能，对于许多工作在严峻的服务工业环境中，材料性能的改善提供了极大的可能性。

表面合金化可利用多种涂层工艺来完成，就是将恰如其分的合金材料组合以适当的比率提供到合金构件的表面。这些合金材料与基体的合金化是可以控制的，这就导致其显微结构可达到予期的目的。需要控制全部组分的相关互扩散及整个相的形成。一旦形成，其表面合金按需要可以通过活性气体热处理来活化和再活化。由于表面合金化与表面活化需要原子结构相当大的迁移率，这就是说，其温度要大于700℃，高温合金制品由于它们设计的是在高温下使用，因而可以从生产方法中得到很大的收益。这样的生产方法也可用于低温使用的制品上，但是，在表面合金化及表面活化后，可能需要后加热处理，以便重新恢复其物理性能。

表面合金或涂层可以为满足最终用户的所有要求而进行设计。从工业基础合金化学组合开始，然后再加工涂层体系，以适应特定性能的要求，那些可设计的涂层性能包括耐超高热气腐蚀性(碳化、氧化、硫化)、可控制的催化活性及耐热烧蚀性。

在高温时，用以保护合金的主要有两种金属氧化物即氧化铝和氧化铬或这两者的混合物。高温使用的不锈钢的成分，经过加工成具有良好机械性能与良好抗氧化、抗腐蚀性的均衡。当需要良好的抗氧化性时，提供氧化铝为主的金属相结构是有益的，同时，为了具有耐热腐蚀性，可选择能形成以氧化铬为主的组织结构。遗憾的是，将大量氧化铝及氧化铬添加到基体合金中，与保持合金良好的机械性能是不相容的，并且涂层含有氧化铝和/或氧化铬，通常是应用于基体合金中，用以提供所需的表面氧化物。

从材料方面考虑，最严峻的工业加工过程之一是烯烃的制造，诸如由蒸汽高温分解(裂比)制造乙烯。烃原料像乙烷、丙烷、丁烷或粗汽油与蒸汽混合并穿过一个由焊接管及配件组装成的炉盘管，此盘管的外壁被加热，热量传至盘管内壁表面，从而导致烃裂化，产生出所要的产品混合物。这一过程中不希望有的付效果是在盘管内壁表面上结焦(碳)。主要有两种焦：催化焦(或细丝状焦)，在由镍或铁催化剂激发时，催化焦以长丝状长大，而以气相形式的无定形集合片状焦，都出自于燃气流中。在轻的原料裂化时，催化焦80％～90％沉积并具有一个收集无定形焦的大表面。

结焦可起到热绝缘体的作用，这就需要盘管外壁温度连续不断地升高，以保持物料的通过量。当结焦严重到盘管外壁温度不能上升时，炉盘管则必须拆下来用火烧掉结焦(除焦)，除焦作业一般要持续24～96小时，并且对轻质原料炉每10～90天必须除焦一次。对重质原料炉则需要更长的作业时间。在除焦期间，无产品生产，造成严重的经济损失。另外，除焦过程加速了盘管的剥蚀，导致其寿命缩短。除了低效率的作业之外，结焦的形成也导致了碳化的加速、其它的腐蚀形式以及盘管内壁的冲刷磨蚀。盘管的碳化是由于碳扩散到钢中形成脆的碳化物相。这个过程引起体积膨胀和脆性的产生，造成强度的降低并可能引发裂纹。随着碳化的增强，合金通过铬形成的抗焦化能力下降，以正常的操作温度，某些合金钢管壁厚的一半仅只使用两年就被碳化。典型的钢管寿命为3～6年。