Окалинообразование фехралевых сплавов
Фехралевые сплавы являются самыми жаростойкими среди всех известных деформируемых сплавов. Исследования показали, что при содержании алюминия порядка 5 % фехрали по жаростойкости значительно превосходят нихромы.
Установлено, что порог хладноломкости фехралей находится выше комнатной температуры. Наряду с этим фехралевые сплавы приобретают необратимую хрупкость в результате образования крупнозернистой структуры после нагрева выше 1000 °С, т.е. при температурах выше температуры рекристаллизации.
На основании исследований процессов окисления предложено объяснение механизма образования окалины. При температурах выше 800 °С наряду с окислением всех компонентов сплава происходят реакции восстановления окислов железа и хрома алюминием, причем с повышением температуры интенсивность алюмотермических реакций возрастает, что приводит к образованию окалины в основном из окиси алюминия.
Известно, что высокая жаростойкость фехралевых сплавов обеспечивается хорошими защитными свойствами окиси алюминия. Однако, необходимо подчеркнуть, что при одной и той же концентрации в сплаве алюминия и хрома может наблюдаться большая разница в жаростойкости.
Исследована взаимосвязь кинетики циклического окисления с механизмом окалинообразования и защитными свойствами окалины. Кинетику окисления изучали по увеличению массы образцов при 1200°С. Окисление проводили на воздухе по циклическому режиму с длительностью цикла 100 ч. Общая продолжительность окисления составила 1000 ч. Для исследования использовали образцы диаметром 3,5 мм, длиной 60 мм и диаметром 0,8 мм, длиной 260 мм. Образцы изготовляли из фехралевой проволоки со шлифованной поверхностью. По данным рентгеновского анализа окалина исследованных сплавов состояла из α-Al2O3..
Окалина сплава с комплексом добавок при охлаждениях местами скалывалась практически до металла. Однако, остающийся на границе "металл-окалина" тонкий окисный слой обладает хорошими защитными свойствами.
Для образцов сплава с присадкой титана за 1000 ч общий привес при циклическом нагреве оказался в 1,5 раза большим, чем расчетный для случая непрерывного нагрева. Окалина после первого цикла почти полностью отслоилась в виде рыхлых хлопьев. В дальнейшем отслаивание уменьшилось, так что образцы со временем покрывались более плотной окалиной, у которой отслаивалась только наружная ее часть.
Кинетика окисления проволоки диаметром 0,8 мм из сплава с присадкой титана отличалась от таковой для проволоки диаметром 3,5 мм. Различная кинетика окисления образцов этого сплава обусловлена тем, что на проволоке диаметром 0,8 мм не успевает сформироваться окалина с хорошими защитными свойствами и после третьего цикла металл сильно обедняется алюминием. Расчет на основании данных об увеличении массы показал, что в тонкой проволоке после третьего цикла нагрева остается около 1,4 % Al (1,74 по экспериментальным данным). При этом проволока диаметром 3,5 мм обедняется алюминием лишь до 4,25 %.
Защитные свойства окиси алюминия могут в очень сильной степени изменяться в зависимости от микролегирования. Было выдвинуто предположение, что улучшение адгезии окалины достигается при обеспечении стока вакансий в подокалине и реализуется в сплавах с иттрием и скандием в первую очередь благодаря наличию внутренних окислов. Это предположение можно рассматривать с точки зрения возможностей достижения максимальной жаростойкости, однако решение этой задачи реально лишь при отсутствии высокотемпературной "язвенной" коррозии, к которой склонны фехрали. Это название вошло в практику применительно к сплавам для нагревателей. При описании конструкционных сплавов часто применяется термин локальная коррозия (или интенсивное локальное окисление).