【摘 要】
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在石油化工、航空航天和能源等领域,由于304不锈钢拥有优异的抗高温氧化性和耐腐蚀性能,成本相对较低且易于制造,因此被广泛应用。目前科技的发展非常快速,材料需要在更加严苛的环境下应用,满足更高的工作温度要求,因此提高304不锈钢的抗高温氧化性能尤为重要。本文采用溶胶-凝胶法在304不锈钢表面分别制备了Al2O3薄膜、Cr2O3薄膜、SiO2薄膜以及按照不同Ce/Al摩尔比（1:9、1:10、1:11
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在石油化工、航空航天和能源等领域,由于304不锈钢拥有优异的抗高温氧化性和耐腐蚀性能,成本相对较低且易于制造,因此被广泛应用。目前科技的发展非常快速,材料需要在更加严苛的环境下应用,满足更高的工作温度要求,因此提高304不锈钢的抗高温氧化性能尤为重要。本文采用溶胶-凝胶法在304不锈钢表面分别制备了Al2O3薄膜、Cr2O3薄膜、SiO2薄膜以及按照不同Ce/Al摩尔比（1:9、1:10、1:11）、Ce/Cr比例（1:9、1:10、1:11）、Ce/Si比例（1:8、1:9、1:10）制备了复合薄膜,研究了单一薄膜和复合薄膜对不锈钢在900℃抗高温氧化性能的影响。随后按照最佳的摩尔比例,制备了三层、六层和九层的Al2O3-Ce2O3以及Cr2O3-Ce2O3复合薄膜,经过循环氧化后,对氧化动力学曲线和薄膜的扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）和X射线衍射仪（XRD）测试结果进行分析,研究其抗高温氧化性能。涂覆单一薄膜的结果表明:SiO2薄膜试样表面虽有开裂现象,但氧化增重和剥落量分别为未涂覆试样的53.7%和44.4%,和Al2O3、Cr2O3薄膜相比效果最为显著,抗高温氧化性能最好。涂覆不同摩尔比复合薄膜的结果表明:Al2O3-Ce2O3和Cr2O3-Ce2O3复合薄膜试样中,抗高温氧化性能最好的分别为涂覆摩尔比为Ce:Al=1:10和Ce:Cr=1:10的复合薄膜试样。涂覆Ce:Al=1:10的Al2O3-Ce2O3复合薄膜试样的氧化增重与氧化膜剥落量仅为未涂覆试样的34.1%和51.8%,涂覆Ce:Cr=1:10的Cr2O3-Ce2O3复合薄膜试样的氧化增重与氧化膜剥落量仅为未涂覆试样的46.3%和51.8%。SiO2-Ce2O3复合薄膜试样中,涂覆Ce:Si=1:9复合薄膜试样的抗高温氧化性能最好,其氧化增重与氧化剥落量仅为未涂覆试样的36.6%和33.3%。复合薄膜有效抑制Cr2O3的挥发;添加Ce2O3使氧化层中的热应力降低,提高其附着力;Ce2O3起到活性元素效应,改变氧化膜生长机制,因此显著提高不锈钢的抗高温氧化性能。其中涂覆Ce:Al=1:10的Al2O3-Ce2O3复合薄膜试样的氧化增重相比Cr2O3-Ce2O3和SiO2-Ce2O3复合薄膜试样降低的更多,抗高温氧化性能最佳。涂覆不同层数复合薄膜的结果表明:Al2O3-Ce2O3和Cr2O3-Ce2O3复合薄膜试样中,涂覆三层复合薄膜试样的抗高温氧化性能最好,其氧化增重量分别为未涂覆试样的29.3%和31.7%,氧化剥落量分别为未涂覆试样的37.0%和40.7%。根据氧气稳态扩散定律,膜厚度增加,氧化增加量逐渐减少,则抗高温氧化性能逐渐增强,因此涂覆三层Ce:Al=1:10和Ce:Cr=1:10复合薄膜试样的抗高温氧化性能优于一层复合薄膜试样。涂覆六、九层复合薄膜试样在循环氧化后,表面的微孔和剥落明显多于三层Ce:Al=1:10和Ce:Cr=1:10复合薄膜,在氧化过程中削弱了薄膜减缓氧向内扩散速率的作用,因此涂覆三层复合薄膜试样的抗高温氧化性能最佳。其中,涂覆三层Ce:Al=1:10复合薄膜试样相较于其他薄膜试样,氧化增重和剥落量最低,且表面生成抗高温氧化性能优异的Cr2O3和具有一定保护作用的Fe3O4,因此涂覆三层Ce:Al=1:10复合薄膜试样的抗高温氧化性能最佳。
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