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| 标准编号 | GB/T 38231-2019 (GB/T38231-2019) | | 中文名称 | 金属和合金的腐蚀 金属材料在高温腐蚀条件下的热循环暴露氧化试验方法 | | 英文名称 | Corrosion of metals and alloys - Test method for thermal-cycling exposure oxidation testing under high-temperature corrosion conditions for metallic materials | | 行业 | 国家标准 (推荐) | | 中标分类 | H25 | | 国际标准分类 | 77.060 | | 字数估计 | 22,236 | | 发布日期 | 2019-10-18 | | 实施日期 | 2020-05-01 | | 发布机构 | 国家市场监督管理总局、中国国家标准化管理委员会 | GB/T 38231-2019
(Corrosion of metals and alloys Thermal cycling exposure oxidation test method for metallic materials under high temperature corrosion conditions)
ICS 77.060
H25
中华人民共和国国家标准
金属和合金的腐蚀 金属材料在高温
腐蚀条件下的热循环暴露氧化试验方法
(ISO 13573:2012,MOD)
2019-10-18发布
2020-05-01实施
国 家 市 场 监 督 管 理 总 局
中国国家标准化管理委员会 发 布
前言
本标准按照GB/T 1.1-2009给出的规则起草。
本标准使用重新起草法修改采用ISO 13573:2012《金属和合金的腐蚀 金属材料在高温腐蚀条件
下的热循环暴露氧化试验方法》。
本标准与ISO 13573:2012相比结构上存在差异,附录A中给出了本标准与ISO 13573:2012章条
对照一览表。
本标准与ISO 13573:2012相比存在技术性差异,这些差异涉及的条款已通过在其外侧页边空白位
置的垂直单线(|)进行了标示,附录B给出了相应技术性差异及其原因的一览表。
本标准由中国钢铁工业协会提出。
本标准由全国钢标准化技术委员会(SAC/TC183)归口。
本标准起草单位:中国航发北京航空材料研究院、冶金工业信息化标准研究院。
本标准主要起草人:张晓云、常伟、侯捷、李倩、张欢欢。
金属和合金的腐蚀 金属材料在高温
腐蚀条件下的热循环暴露氧化试验方法
1 范围
本标准规定了金属材料在高温腐蚀条件下的等温暴露氧化试验的设备、气体供应、试样、试验过程、
质量变化的计算、质量变化的分析、试验后试样的评价和试验报告等内容。
本标准适用于在环境温度至高温下的气体环境中的金属材料的热循环腐蚀试验(即循环氧化试验)
方法(每个试样均进行一系列重复的、规则的、受控的温度循环)。进行适当调整后还可用于其他材料的
测试。
本标准不适用于采用极短保持时间(几分钟或几秒)的试验。
2 规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文
件。凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
GB/T 1598 铂铑10-铂热电偶丝、铂铑13-铂热电偶丝、铂铑30-铂铑6热电偶丝
GB/T 9258.3 涂附磨具用磨料粒度分析 第3部分:微粉 P240~P2500粒度组成的测定
(GB/T 9258.3-2017,ISO 6344-3:2013,IDT)
GB/T 13298 金属显微组织检验方法
GB/T 16701 贵金属、廉金属热电偶丝热电动势测量方法
GB/T 18036 铂铑热电偶细丝的热电动势测量方法
JJG141 工作用贵金属热电偶
ISO 26146 金属和合金的腐蚀 高温腐蚀环境下的暴露试验后试样金相检验方法(Corrosionof
3 术语和定义
下列术语和定义适用于本文件。
3.1
氧化皮 scale
在试样表面因高温腐蚀产生的表面氧化膜和腐蚀产物。
3.2
附着氧化皮 adherentscale
冷却后附着在试样表面的氧化皮。
3.3
剥落氧化皮 spaledscale
从试样表面脱落的氧化皮。
3.4
分层氧化皮 delaminatedscale
从表面完全或部分脱离,但仍然和试样接触的氧化皮。
3.5
总质量变化 grossmasschange
冷却后试样和收集的脱落氧化皮质量之和与试验前试样初始质量的变化。
3.6
净质量变化 netmasschange
冷却后试样质量(不包括剥落氧化皮)与试验前试样初始质量的变化。
3.7
高温腐蚀 high-temperaturecorrosion
在高于环境中液态相露点温度(但至少100℃)时的腐蚀。
3.8
剧增 breakaway
由生成保护性氧化皮向生成非保护性氧化皮的转变引起的腐蚀速率的快速增加。
3.9
热循环周期 thermalcycle
试验过程中重复的温度顺序。一个热循环周期包括加热阶段、加热保持时间、冷却时间和冷却保持
时间。
4 设备
4.1 设备设计
4.1.1 设备应包括能实现试样在冷热环境中可控和可重复地转换的装置。理想的加热装置应配备将
试样和外部空气隔离的试验单元(称为封闭型系统),除非计划的试验不可能实现该要求。适用时,应使
用湿度调节器确保供应的气体能够保持在特定的湿度,并采用湿度计进行监控。气体供应应由一个气
体流量计控制。设备还可包含加速冷却装置。基本设计的示例见图1和图2。
a) 水平型
图1 封闭型设备的基本设计示意图(带有可移动试样支架的装置)
b) 垂直型
说明:
1 ---鼓风机;
2 ---湿度调节器(电子型);
3 ---湿度计;
4 ---流量表;
5 ---带有加热带的加热区域;
6 ---试验部分;
7 ---加热区;
8 ---冷却区;
9 ---加热炉;
10---试样;
11---试样支架;
12---遮挡板(可移动型);
13---冷却室;
14---试样移动装置;
15---温度调节装置;
16---功率控制装置;
17---测量装置;
18---热电偶;
19---坩埚。
图1(续)
a) 水平型
图2 封闭型设备的基本设计示意图(带有可移动炉子的装置)
b) 垂直型
说明:
1---气体供应;
2---气体流量计;
3---阀门;
4---湿度调节器(电子型);
5---湿度计;
6---含有非平衡气体混合物催化剂的加热装置;
7---带有加热带的加热区域;
8---加热装置;
9 ---样品室;
10---试样;
11---试样支架;
12---热电偶;
13---功率/温度控制装置;
14---加热炉移动方向;
15---气体排放;
16---测量装置。
图2(续)
4.1.2 设计加热装置时应确保样品室和外部环境隔离。
4.1.3 应确保通过试样的气流连续且在规定范围内。
4.1.4 样品室不应使用在测试过程中与试验环境发生反应,以致改变试验环境成分的材料。
4.1.5 若无法使用带有样品室的封闭试验系统,也允许在实验室大气环境中进行试验。应记录大气湿
度,实验室内应尽量保持温度恒定,且不受天气条件的影响。
4.1.6 在试验前应在试验的暴露温度下检验加热炉,确定加热炉内均温区的尺寸。一般采用独立活动
热电偶的方法。
4.1.7 温度调节装置应能够确保试样的温度保持在表1规定的允许偏差范围内。炉温可能因炉子的
移动发生变化或波动(当移动试样支架时较不显著)。采用的控制系统应确保能够迅速达到期望的炉内
温度,且不超出温度范围。
表1 试样温度的允许偏差 单位为摄氏度
温度范围 ≤300 >300~600 >600~800 >800~1000 >1000~1200 >1200
温度偏差 ±2 ±3 ±4 ±5 ±7 协商确定
4.1.8 用于温度控制的加热装置热电偶应满足如下要求:
a) 热电偶的材料应完全能够满足测试温度下的使用要求;
b) 在加热装置的热电功率不变的前提下,推荐热电偶丝的直径尽可能小。
4.2 温度监控
4.2.1 应采用合适的装置测量温度。根据GB/T 1598的要求,从室温至1700℃的温度范围内推荐采
用S型(Pt-10%Rh/Pt)或 R型(Pt-13%Rh/Pt)热电偶。应在试样表面附件放置一个热电偶,并按
4.2.2和4.2.3校准。若因环境因素导致不能在试样表面附近放置热电偶,应通过在惰性环境下使用空
白试样和合适的测温方法,根据加热炉的校准推算出试样温度。
4.2.2 应从每批中抽取一个具有代表性的热电偶进行校准。热电偶的校准应按 GB/T 16701、
GB/T 18306或JJG141进行。
4.2.3 若不能确定热电偶的稳定性,推荐每年使用前重新校准,或在每次试验开始前和结束时重新校准。
4.2.4 热电偶应能够证明试样温度保持在表1规定的范围内,并放置在尽可能靠近试样的规定好的固
定位置。
4.2.5 热电偶丝应采用热电偶套管进行保护。热电偶套管应能够在试验温度和试验环境下使用。
5 密闭系统的气体供应
5.1 气体供应系统应能够向样品室以恒定速率稳定地提供测试用气体。
5.2 应采用气体流量计监控气流量。流量计应放置在靠近样品室入口处的位置,但当使用湿度调节器
时,流量计应放置在加湿器上游。
5.3 当使用湿度调节器时,湿度调节器应能够将湿度调整至期望的值。除非另有规定,应使用电导率
低于1μS/cm的去离子水。为防止冷凝,湿度调节器和样品室之间的空间内的温度应保持在露点
以上。
5.4 当气体被加湿后,应测试水蒸汽含量,测试方法包括在样品室前用湿度计测量,或在排放的气体冷
凝后测试水的含量,或测量试验期间加湿器中水的消耗量等方法。
5.5 在空气中测试时,推荐采用20g/kg的比湿度(即空气中水分的质量分数)。该比湿度即为在
25℃(露点)下相对湿度100%,能够很容易地通过25℃水浴时的鼓泡获得。若采用其他湿度,应经相
关各方的同意。
5.6 在冷却阶段应避免试验气体生成凝结相。可通过关闭加湿器或切换成惰性气体实现。
6 试样
6.1 试样形状应为板状、圆片或圆柱,表面积应不小于300mm2,厚度应不小于1.5mm。若不能满足
上述要求,试样的形状和尺寸应符合相关各方达成的协议要求。
6.2 试样表面应机械抛光,确保去除切削加工影响层。试样表面最终抛光应使用颗粒平均直径约为
15μm的磨料,可使用符合GB/T 9258.3要求的P1200的磨料。若相关方要求采用其他表面抛光方
法,应规定表面抛光的条件。推荐试样表面抛光至Ra0.1~Ra0.4。
6.3 试样的尖边可能引起反常现象,在试样制备的最后阶段应轻微倒圆。
6.4 试样表面不应有因标记、冲压、开槽引起的变形。试样的识别应完全基于试样在试验箱体内相对
位置的记录,不过允许有用于试样支架(见图5)的孔洞和/或基准标记。当为了支撑试样需要在试样上
打孔时,打孔应在最后抛光或涂覆涂层前进行,并且计算试样表面积时应考虑孔洞。
6.5 应采用异丙醇或乙醇超声波清洗试样,然后进行干燥。若试样可能大量吸附水等环境中的污染
物,推荐将清洗后的试样在称重和暴露试验前存储在干燥器中。
6.6 在暴露试验前应在试样上至少3个位置测试试样尺寸,测量精度应为±0.02mm。
6.7 在暴露前应对试样称重。每个试样应称重不少于两次,连续两次测量的差别应不大于0.05mg。
6.8 推荐每次试验均采用两个试样。
7 试验过程
7.1 试样的支撑
试样应按如下规则支撑:
a) 试样支撑材料应在试验温度下不发生反应。试样和支撑物之间的接触面积应尽可能小。
b) 试样支架应能够收集氧化皮,即使氧化皮在试验过程中或试验结束后的冷却过程中剥落。
c) 当同时测试多个试样时,每个试样均应插入一个单独的试样支架,以确保能够收集氧化皮(包
括从每个试样上剥落的氧化皮在内)。
d) 试样支架应能够确保试样的主要表面不被遮挡并能与试验气氛接触。
e) 合适的试样支架的例子和试样放置的基本布局见图3~图5。
f) 当可能出现试验环境下反应物耗尽的情况时,可通过在试样支架侧面的下部区域开孔或槽的
方式改善。
g) 当仅需要不含氧化皮的试验质量变化数据时,允许将多个试样放入同一个试样支架。
说明:
1---用于支撑试样的高纯净度铝合金管;
2---试样。
注:左侧为侧视图,右侧为横截面视图。该类型的支撑物不适合快速加热和冷却。
图3 试样支架和试样放置的基本布局---管式设计
说明:
1---孔。
注:左侧为侧视图,中间为横截面视图,右侧为俯视图。
图4 试样支架和试样放置的基本布局---圆形坩埚
说明:
1---孔;
2---铝合金棒。
注:左侧为侧视图,中间为横截面视图,右侧为俯视图。
图5 试样支架和试样放置的基本布局---棒支撑型设计
7.2 试验环境
7.2.1 气流量应足够高,确保不会发生严重的反应物耗尽现象。同时,气流速度应足够慢,以确保气体
混合物得到预热,在有些情况下还应确保气体混合物达到平衡。气流量应足够大,以确保试验用气体能
够在1h内完全替换样品室内气体三次以上。
7.2.2 在封闭型试验系统中采用空气试验时,湿度应按第5章的要求控制。
7.2.3 在开放试验系统的大气环境中试验时,应注意实验室的湿度会根据实验室所在地理位置和天气
条件有很大不同。这些变化可能在很大程度上影响试验结果。在该试验条件下,应记录试验时实验室
的大气湿度。
7.2.4 在其他环境下测试时,应规定并测量湿度。
7.3 热循环周期
7.3.1 一个热循环周期包括加热时间、保温时间、冷却时间和冷却保持时间。保持温度Tdwel=1000℃的
例子见图6。
说明:
t ---时间;
T---温度;
1---加热时间;
2---加热保持时间(T >0.97Tdwel);
3---冷却时间;
4---冷却保持时间;
5---温度曲线;
6---T=0.97Tdwel=0.97×1273K=1235K=962℃;
7---T=50℃=323K。
图6 加热保持时间为1000℃的热循环周期的示例
7.3.2 一个热循环周期的4个阶段的含义如下:
a) 加热时间:试样开始入炉加热至开始保持的时间;
b) 保温时间:实际温度超过预期加热保持温度Tdwel(以开尔文为单位计量)的97%,至从加热炉
中取出试样的时间;
注:对抛物线和实际温度循环的大量数学计算和比较显示只有温度接近加热保持温度的时间段对试样的氧
化有影响。
c) 冷却时间:试样停止加热(例如,从加热炉中取出试样)至试样实际温度降至50℃以下的时间;
d) 冷却保持时间:实际温度低于50℃至试样被重新加热的时间。
7.4 热循环类型和保持时间
7.4.1 热循环类型
工业应用中有两大类典型的热循环类型:
a) 长时热循环:用于模拟实际应用的大规模工业设备的服役情况,如发电厂、废品焚烧或化工行
业。在上述应用情况,金属零部件被设计成有非常长的服役期,例如一般超过100000h。计
划的工厂停工(如日常维护),或异常情况导致的意外停工,都会发生材料的热循环。因此,与
零件长的服役时间相对应,不同热循环周期的时间间隔相对较长,循环周期数相对较小,一般
大约50次。
b) 短时热循环:典型应用情况包括如工业燃气涡轮、喷气发动机、汽车零件、热处理设备等。与长
时应用情况相比,这些设备开启和关闭的时间间隔一般短得多。同时,设计寿命和(或)需要彻
底大修/维修的时间(一般3000h~30000h)更短(取决于特定的实际应用情况),循环周期数
量更多。
7.4.2 加热和冷却时间
加热和冷却速率会在很大程度上影响试验结果,且取决于试验设备的细节特征。控制因素包括系
统热质量、传输机制和有无强冷。推荐加热时间不超过30min,冷却时间不超过60min。
7.4.3 长时试验的标准试验参数
7.3定义的热循环周期用于长时热循环试验时,出于实际情况考虑,一个试验周期一般在24h内。
因此,试验时加热保持时间20h,冷却时间、冷却保持时间和加热时间共4h。7.3定义的加热和冷却时
间应写入试验报告。
7.4.4 短时试验的标准试验参数
7.3定义的热循环周期用于短时热循环试验时,加热保持时间为1h,冷却保持时间为15min。7.3
定义的加热和冷却时间应写入试验报告。为称量试样质量,可延长冷却保持时间,但应尽量短。
7.4.5 其他保持时间
若相关各方达成共识,允许采用不同于7.4.3和7.4.4规定的其他保持时间。
7.5 试验总时间
7.5.1 为使试样发生大量氧化,试验总时间应确保试样累计保温时间至少300h。然而,为确保试验结
果更加可靠,推荐累计保温时间延长至不少于1000h。
7.5.2 图7显示了3种不同类型的氧化行为及其最短试验总时间。一般当对材料不再具有保护性行为
时终止试验。
说明:
n ---循环次数;
Δmnet---根据式(3)得到的质量净变化;
1 ---原始保护性阶段之后的剥落;
2 ---原始保护性阶段之后的氧化剧增;
3 ---自试验开始的剥落。
图7 热循环时不同类型的氧化行为
8 质量变化的计算
8.1 通则
为定义氧化动力学,需要确定试样质量的变化。推荐每种材料采用备份试样。当处理试样时,建议
使用镊子,不允许赤手触摸以免污染(油脂、盐)。使用手套时应非常小心,因为手套上的分离物造成的
污染可能导致质量测定的错误。若重复测试不一致,应记录称重环境的温度和湿度。
8.2 试验前的称重
8.2.1 新使用的试样支架应在空气中烘干,以去除生产过程中带来的挥发性化学物。推荐在1000℃
烘干至少24h。若已使用过的试样可能发生吸水现象,应在远高于1000℃的条件下干燥。
8.2.2 应在暴露前测量试样质量[(mT(t0)),见图8]。每个试样应至少分别测试两次,精确度应不低于
0.02mg。各次测量结果之间的最大差值应不超过±0.05mg。
8.2.3 应在暴露前测量试样支架的质量[(mS(t0)),见图8]。每个试样支架应至少分别测试两次。当
试样支架质量低于20g时,精确度应不低于0.02mg,各次测量结果之间的最大差值应不超过0.05mg。
当试样支架质量不小于20g时,精确度应不低于0.1mg,各次测量结果之间的最大差值应不超过
0.3mg。当仅需要试样质量变化数据时,可不测量试样支架的质量。
说明:
mST---试样支架和试样的质量;
mS ---试样支架的质量;
mT ---试样的质量。
图8 质量确定类型Ⅰ
8.3 中间状态和最终质量变化的确定
8.3.1 当从加热炉中取出试样支架(含试样)后,应将其放在称重间15min以适应环境。试样不应去除
氧化皮,但允许采用在支撑物内部轻轻拍打试样的方式去除试样上附着的分层氧化皮,并确保剥落氧化
皮也能收集。重新放入加热炉进行后续试验时,所有剥落氧化皮均应保持在试样支架中。
8.3.2 当形成吸水性腐蚀产物时,应从加热炉取出试样后尽快称重,或放入干燥器中在称量前取出。
8.3.3 若生成大量挥发性物质时会影响质量称量。生成挥发性物质的表现为在加热炉中温度较低部
位形成液态或固态物质。
8.3.4 在中间每个状态和最终状态确定质量变化时,包含试样和剥落氧化皮在内的试样支架的质量、
包含剥落氧化皮的试样支架、试样(含附着氧化皮)的质量都应测量,见图8。每次测量均应测量三次,
每次测量精度应不低于0.02mg,每一组测量结果的标准偏差应不大于0.05mg。
8.3.5 称重时应注意防止因镊子的机械接触等原因导致氧化皮剥落。图5所示的棒支撑型设计的试
样支架可解决该问题,并且可以实现确定重量变化时镊子不和试样直接接触(见图9和图10)。
说明:
mST---试样支架和带氧化铝棒的试样的质量;
mS ---试样支架的质量;
m ---带棒试样的质量。
图9 质量确定类型Ⅱ(可通过用镊子夹住棒的方式取出试样)
说明:
mST(ti)---在ti 时刻试样支架和带氧化铝等棒的试样的质量;
mS(ti)---在时间点ti 试......
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