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TP439不銹鋼在800?℃高溫水蒸氣中的初期氧化行為

TP439是一種鐵素體不銹鋼（高Cr，含穩(wěn)定化元素Ti），因其良好的綜合力學(xué)性能、抗晶間腐蝕性、低熱膨脹系數(shù)和高導(dǎo)熱性，被廣泛用作核電站高壓加熱器的管材。

2026-02-11

研究背景

TP439是一種鐵素體不銹鋼（高Cr，含穩(wěn)定化元素Ti），因其良好的綜合力學(xué)性能、抗晶間腐蝕性、低熱膨脹系數(shù)和高導(dǎo)熱性，被廣泛用作核電站高壓加熱器的管材。服役工況通常是高溫高壓水蒸汽環(huán)境，氧化是導(dǎo)致其失效（如泄漏）的主要原因之一。

研究方法

1.實驗材料

TP439鐵素體不銹鋼，經(jīng)線切割后處理成尺寸為16×15×1.5mm的矩形試樣。

2.水氧實驗

800℃，氣氛為90%H₂O+10%Ar (體積分?jǐn)?shù)%)，保持氣體流量為0.15mm³/min。分別氧化15、30、45、60、90、120、240、480、720、1440和2880min，利用高精度天平對氧化后的樣品稱重，獲得氧化動力學(xué)曲線。

3.氧化動力學(xué)

1)初期階段0-2h：氧化增重快，遵循線性規(guī)律

2)第二階段2-48h：氧化速率減慢，遵循拋物線規(guī)律。

4.熱力學(xué)上，Cr比Fe更易氧化。隨著時間推移，Cr從基體內(nèi)擴(kuò)散至表面，逐步形成保護(hù)性更好的富Cr氧化層。

圖. TP439不銹鋼在800 ℃高溫水蒸氣中48和2 h的氧化動力學(xué)曲線

研究結(jié)果

1、 TP439?不銹鋼在初期階段的氧化速率較快，氧化動力學(xué)符合線性氧化規(guī)律，線性速率常數(shù)k_l為5.21×10^-2mg·cm^-2·h^-1；第二階段的氧化動力學(xué)符合拋物線增長規(guī)律，拋物線速率常數(shù)?k_p為1.54×10^-3mg·cm^-2·h^-1。

2、 TP439不銹鋼氧化2 h后，XRD檢測到微弱的?(Cr，Fe)₂O₃、Cr₂O₃和Fe₂O₃衍射峰；氧化48 h后，氧化產(chǎn)物的主要成分為?(Cr，Fe)₂O₃和少量的?Cr₂O₃、Fe₂O₃、FeCr₂O₄尖晶石氧化物。

3、?在800 ℃高溫水蒸氣環(huán)境中，TP439不銹鋼在氧化初期階段，氧化過程受界面反應(yīng)控制，隨著氧化膜的不斷增厚，離子在氧化膜中的擴(kuò)散速度受到阻礙，氧化控制步驟轉(zhuǎn)為擴(kuò)散控制。由于晶界是元素快速擴(kuò)散通道，在氧化過程中表面沿晶界處生成網(wǎng)狀氧化物，但隨氧化時間延長，網(wǎng)狀氧化物特征變得不明顯。

中環(huán)電爐設(shè)備

天津中環(huán)推出高溫靜態(tài)/高速水氧腐蝕測試系列設(shè)備，利用實驗室測試方法,準(zhǔn)確模擬渦輪發(fā)動機工作環(huán)境的高溫、高水蒸氣分壓和水蒸氣速度，針對材料的熱腐蝕、水蒸氣氧化腐蝕進(jìn)行循環(huán)測試，以正確評估材料的熱化學(xué)穩(wěn)定性。該設(shè)備由進(jìn)氣控制單元、液體精確控制進(jìn)液量單元、加熱蒸發(fā)器控制水的均勻汽化和氣體混合、伴熱管路、加熱反應(yīng)器等組件構(gòu)成。主要用于:各種功能陶瓷，結(jié)構(gòu)陶瓷和陶瓷基復(fù)合材料，超高溫合金材料，高溫?zé)嵴贤繉拥阮I(lǐng)域。

高速水氧：

·◆ 實現(xiàn)水蒸氣沖擊：150m/s（計算值）

·◆?精準(zhǔn)控制進(jìn)液量

·◆?液態(tài)水的均勻汽化和氣體混合