ЗАЩИТНЫЕ И УПРОЧНЯЮЩИЕ ПОКРЫТИЯ

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ ЖАРОСТОЙКОСТЬ

Элементы многих машин и агрегатов современной техники работают при высокой температуре в окислительной газовой среде. Такие условия, например, характерны для деталей газовых и паровых турбин, котлоагрегатов, атомных реакторов, металлургических печей. Воздействие окислительной газовой среды на металлические детали машин и механизмов приводит к их коррозии и преждевременному износу. Поэтому одним из основных технических и экономических требований, связанных с применением материалов, предназна­ченных для работы в условиях повышенных температур, является увеличение срока их эффективной работы или повышение стойкости. В течение последних лет достигнуто значительное увеличение стойкости деталей газовых турбин, в частности, в несколько раз повышен срок службы авиационых турбин. Требованием сегодняшнего дня является повышение стойкости деталей газовых турбин на порядок выше по сравнению с существующими значениями. Исключение составляют двигатели ракет, которые по характеру своего применения имеют технически ограниченную стойкость, составляющую несколько часов. Равным образом и в других устройствах к деталям, работаю­щим при высоких температурах, предъявляются высокие требования в отношении стойкости. Так, например, для пароперегревателей и экранных труб в котлах высокого давления, а также для труб в нефтехимических каталитических установок парового риформинга метана требуемая стойкость составляет 100 000 часов. Для котлов значения стойкости обычно достигают 200 000 часов.

Химическое взаимодействие метала с окислительной газовой средой (или с компонентами газовой среды), протекающее при высокой температуре, когда на поверхности металла отсутствует пленка влаги, называют высокотемпературным окислением. Высокотемпературное окисление является частным видом химической коррозии металлов, под которой понимают нежелательное с практической точки зрения разрушение металлов, происходящее вследствие их самопроизвольного взаимодействия с окружающей средой по механизму химических гетерогенных реакций.

Способность металлов противостоять высокотемпературному окислению, т. е. коррозионному воздействию газов при высокой температуре обычно называют жаростойкостью (иногда также используют другой термин: окалиностойкость).

Окисление в данном случае заключается в химическом взаимодействии металлов при высокой температуре с кислородом, двуокисью углерода, серой,

йодом, хлором или другими газообразными веществами.

Продуктами такого взаимодействия являются соответствующие химические соединения: окислы металлов, их сульфиды, галогениды и др.

В результате окисления металлов из-за образования новых соединений происходит изменение массы, размеров и формы металлических деталей машин и агрегатов, что может вызвать существенное сокращение срока их службы.

Среди процессов высокотемпературного окисления металлов особое место занимает их окисление кислородом. Окисление металлов этим газом - самый распространенный вид коррозии металлов в газовых средах при высокой температуре. Этот вид коррозии представляет одну из значительных угроз для работоспособности металлических деталей механизмов, эксплуатируемых при высокой температуре.

В химическом смысле окисление металлов кислородом сводится к следующей реакции:

хМе+у/2'О2 - МехОу Где Ме - металл, взаимодействующий с кислородом; х и у - стехиометрические коэффициенты.

Например, если окисляющим металлом является железо, а продуктом взаимодействия - магнетит, то соответствующая реакция имеет вид

3Fe+2O - Fe? O3

В результате окисления на поверхности металла может образоваться:

1) сплошная окисная пленка

2) рыхлые пористые окислы

3) растрескивающиеся окислы

Частным случаем окисления являются процессы, не приводящие к образованию окисных пленок, что может быть при наличии само - возгоняющихся в данных условиях окислов. Например, на сплавах содержащих в качестве легирующего элемента определенное количество Cr при высокой температуре образуется защитная пленка Cr2O3. Однако при температуре выше 1050оС в результате окисления и образования летучего окисла защитные свойства образовавшейся пленки резко падают. Происходит следующая реакция:

Cr2O3+3/2 O2 = 2CrO3

где CrO3 - летучий окисел.

Таким образом жаростойкость материала имеет важное значение при проектировании и разработке металлических деталей и узлов различных механизмов, Понятно поэтому, насколько важно уметь рассчитывать характеристики жаростойкости металлических конструкционных материалов.