TiAl基合金高温氧化动力学分析

关于ｉＡｌ的高温氧化问题，国内外已有广泛报道［１，２］，但缺乏对氧化产物的系统分析．本文从氧化物生成热力学角度讨论了二元ＴｉＡｌ及三元ＴｉＡｌ－Ｃｒ合金氧化产物的生成趋势，旨在为ＴｉＡｌ氧化层构造研究提供理论基础．１ＴｉＡｌ氧化物的热力学计算 二元ＴｉＡｌ在９７３Ｋ以上高温氧化时，生成两种稳定的氧化物［３］：Ｒ－ＴｉＯ２和α－Ａｌ２Ｏ３。由于ＴｉＯ２与Ａｌ２Ｏ３的生成自由能相近［４］，在原子比约为 １：１的 ＴｉＡｌ基合金中，将几乎同时生成两种氧化物，故不能形成单一致密的Ａｌ２Ｏ３保护层． 式中：气…     

等离子渗Mo提高TiAl基合金抗高温氧化性能的研究

研究了等离子渗Mo处理对Ti-46.5Al-1.0V-2.5Cr(原子分数)合金抗高温氧化性能的影响。结果表明:等离子渗Mo处理能显著提高TiAl基合金的抗高温氧化能力,这主要是因为TiAl基合金经等离子渗Mo处理后在表面形成含Ti-Al-Mo的致密合金层,该致密合金层具有良好的抗高温氧化性能。     

合金元素Nb在TiAl高温氧化行为中的作用

研究了Ti-45Al-10Nb(at%)合金在800℃－960℃氧气和空气中的氧化行为，并与Ti-50Al(at%)合金作一对比，表明该合金具有较好的高温抗氧化性能，其氧化增重速率略优于文献报道的铁基耐热不锈钢，发现了Ti-45Al-10Nb合金在空气中的氧化增重速率明显低于在纯氧中的氧化增重速率，X－射线相分析与能谱分析表明氧化产物主要由TiO2与Al2O3组成，但空气中氧化后的氧化产物中含TiN相，认为它是降低氧化速率的主要原因，并且认为合金元素Nb稳定了氧化层中的TiN相，因而提高了合金在空气中的抗氧化性能。     

氯对TiAl基合金高温氧化行为的影响

研究了表面喷沙少量ＭｎＣｌ２及离子注入氯对ＴｉＡｌ基合金９５０℃恒温氧化行的影 响ＴｉＡｌ合金９５０℃氧化后氧化膜为ＴｉＯ２及Ａｌ２Ｏ３的混合物,表面涂少量ＭｎＣｌ２后, 合金氧化速度降低了４个数量级,氧化膜的成分主要为Ａｌ２Ｏ３,离子注入Ｃｌ在氧化初期也显著降低 了氧化速率,延迟了ＴｉＯ２形成时间。     

全片层组织TiAl–Nb合金的高温氧化行为及氧化层结构表征

以Ti-42Al-8Nb-0.2W-0.1Y(at%)合金为研究对象,通过热处理获得全片层组织,片层团尺寸约为85μm,在900℃空气条件下,对合金进行了100 h的抗氧化实验,主要研究了该Ti Al-Nb合金的高温抗氧化行为,并对氧化层的结构、成分及形成过程进行了深入分析。利用OM、SEM、XPS、XRD、和EDS对试样的微观结构、相组成及微区成分进行表征。结果表明:在900℃空气条件下,具有全片层组织的Ti Al-Nb合金,其恒温氧化动力学曲线符合近抛物线规律;长时氧化后,合金表面生成了结晶状颗粒氧化物,为Ti O2和A12O3的混合物;氧化层主要由外表面氧化层、中间过渡层和基体层构成,氧化膜完整厚度大约为6μm。由此可知,添加了合金元素且具有小尺寸片层团组织的Ti Al合金在900℃高温时,具有较好的抗氧化性能。     

TiAl基合金高温氧化及防护的研究进展

全面综述国内外TiAl基合金体系高温氧化机理及其防护研究进展,特别是20世纪90年代以来的研究情况。主要阐述TiAl系金属间化合物分类及其应用、TiAl基合金高温氧化行为、氧化膜结构及其形成、氮效应、表面效应、Z相的形成及其对氧化行为的影响,合金化和涂层防护方法及其机理、近年来出现的新表面处理技术以及传统表面处理技术在TiAl基合金抗高温氧化防护方面的应用,对各种防护方法的特点及应用范围进行对比分析,并对该领域研究的发展趋势进行展望。     

细晶TiAl基合金的制备及高温氧化行为

采用机械合金化及放电等离子烧结方法制备超细晶/纳米晶TiAl基合金,并利用差热分析仪进行循环高温氧化试验,研究粉末机械合金化对烧结细晶粒TiAl基合金组织及高温氧化性能的影响。结果表明,球磨是获得细晶粒组织的原因,粉末经球磨及放电等离子烧结后,形成了细小、球状的TiAl和Ti3Al相组织;该细晶粒组织在高温循环氧化条件下显示出较高的抗氧化性,且随Nb量增加抗氧化性得到提高,升温阶段的氧化速率最快。     

新型γ-TiAl基合金的高温氧化行为研究

研究了新型γ-TiAl基TiAl-3Ta-X(Cr,W)高温合金在800～900℃范围内的氧化行为。氧化增重实验及XRD,SEM分析结果表明,TiAl-3Ta-X(Cr,W)合金在800～900℃范围内氧化0～200 h条件下,由Wagner的氧化经验公式计算得氧化指数n在0.976～3.849之间,氧化激活能为203 kJ/mol,氧化符合线性-抛物线混合规律。试样表面形成氧化层,随着氧化温度的升高和时间的延长,氧化层厚度增加。经长时间氧化后,氧化产物由TiO2,Al2O3和AlTaO4组成,Ta的中间化合物中Ta-O键的存在能有效防止合金进一步氧化。     

组织结构对片层TiAl合金氧化行为影响

以Ti-48Al-2Cr-2Nb(at%)合金为研究对象,通过热处理获得近片层和全片层两种显微组织,并在800℃空气条件下,进行了100 h的抗氧化性实验。利用OM、SEM、TEM、XRD和EDS对试样的微观结构、相组成及微区成分进行了分析。恒温氧化动力学结果表明:在800℃空气条件下,对于近片层和全片层两种Ti Al合金组织,其恒温氧化动力学曲线符合近抛物线规律,且近片层组织合金的抗氧化性能优于全片层组织。基于氧化动力学曲线、组织结构、氧化膜结构、氧化表面形貌分析,表明Ti Al合金的片层组织结构对其氧化行为具有不可忽视的影响。     

Effect of Ternary Elements on the Oxidation Behavior of Aluminized TiAl Alloys

The effects of ternary elements added to TiAl on the coating layer formed by the pack-aluminizing process was studied with respect to oxidation resistance and mechanical properties. All the TiAl specimens, with various amounts of Nb, Cr, Fe, and V, were pack aluminized under identical conditions using a high-activity process. Among the ternary alloying elements tested, Nb showed the best property of the TiAl₃ coating layer formed on the surface and, consequently, the best oxidation resistance. The TiAl₃ coating layer becomes thicker and has a finer grain size as the content of Nb or Cr is increased. Microhardness tests revealed that the addition of Nb or Cr improved the toughness of the coating layer and thus improved the cracking resistance. Cyclic oxidation tests showed that the TiAl₃ coating layer formed on the TiAl alloy has better oxidation resistance with increasing Nb content. The ductility and oxidation resistance of the TiAl₃ coating layers improved with Nb addition, which contributes to the grain refinement of TiAl₃. The Nb present in the TiAl₃ coating layer inhibits grain growth by the solute-drag effect and retards inward diffusion of Al to the TiAl matrix by forming (Nb, Ti)Al₃ precipitates during high-temperature oxidation.     

晶粒细化对Cr-25Nb合金高温氧化行为的影响

采用电弧熔铸和机械合金化+热压烧结技术制备晶粒尺寸相差较大的Cr-25Nb合金,研究其在950及1200 ℃空气中的氧化行为。结果表明,熔铸态及机械合金化Cr-25Nb合金氧化后均没有发生Cr的单一外氧化,而形成了以Cr2O3为外层、NbCrO4为内层的双层氧化膜结构;机械合金化Cr-25Nb合金在950及1200 ℃的氧化速度均小于熔铸态合金,特别是在1200 ℃氧化100 h后,熔铸态Cr-25Nb合金的氧化增重是机械合金化合金的2倍多。这主要是因为晶粒细化促进了氧化膜内应力的释放,提高了氧化膜与基体的粘附性     

Effects of Silicon on the Oxidation Behavior of Ni-Base Chromia-Forming Alloys

This paper compares and analyzes the oxidation behavior of Ni-base alloys with and without about 2.7 wt.% Si addition. The Ni-base alloys studied were of two types: cast model alloys or wrought commercial alloys. Oxidation testing was conducted at 1000°C in still air. The specific aspects studied were scale spallation resistance, nature by which the silicon oxidized, and the influence of silicon on the subsurface depletion behavior of chromium. From oxidation results of the cast model alloys, Si addition was found to improve oxidation resistance by forming a continuous SiO₂ layer at the alloy/scale interface, which resulted in decreased oxidation kinetics. The cast alloys with Si addition also showed larger average effective interdiffusion coefficients of chromium compared to the cast alloys without Si addition. As a consequence, the Si addition assisted in the establishment and re-formation of a chromia scale during oxidation. In the case of the wrought commercial alloys, a discontinuous distribution of SiO₂ precipitates in the vicinity of the alloy/scale interface was found to be beneficial to cyclic oxidation resistance.     

V/Nb对Ti-45Al-9(V, Nb, Y)合金抗氧化性能的影响

βγ-TiAl合金具有良好的高温变形能力,为TiAl合金的发展开辟了新的途径。成功制备了不同x=V/Nb(x=1,1.5,2,3.5)的βγ-TiAlTi-45Al-9(V,Nb,Y)合金,研究了上述合金在800℃静止空气中的氧化行为。结果表明:当x=1时,Ti-45Al-9(V,Nb,Y)合金中形成条带状、连续致密的Al2O3氧化层,显著提高了合金的抗氧化能力。随着x=V/Nb的增加,Al2O3氧化层厚度变薄,合金的抗氧化能力下降。     

TiAl基合金的抗氧化性及其改善

简要介绍了ＴｉＡｌ基合金的应用及目前存在的主要问题。阐述了在ＴｉＡｌ基合金上不易形成连续的Ａｌ２Ｏ３膜的”氮效应”,指出“氮效应”似乎是阻碍ＴｉＡｌ合金空气中形成连续的Ａｌ２Ｏ３膜的主要障碍。     

Al含量变化对CoNiCrAlYRe合金氧化行为的影响

利用X射线衍射仪、扫描电镜和能谱分析研究不同铝含量的CoNiCrAlYRe合金在1000℃空气中的恒温氧化行为。结果表明:铝含量的增加促进了合金中富Cr相在γ、β相界面处的析出;铝含量的增加显著抑制了尖晶石氧化物的形成;高铝含量合金中存在的富Cr层有利于致密氧化膜的形成,从而降低了氧化速率,提高了合金的抗氧化性能。     

微量Y和Hf对高铌TiAl基合金高温抗氧化性的影响

使用元素Hf和Y对Ti-45Al-8Nb合金进行了微合金化,研究了微合金化前后高铌TiAl基合金在900℃静止空气中的断续氧化行为。结果表明,与Ti-45Al-8Nb合金相比,0.5Hf(mol%)微合金化后合金的抗氧化性无明显变化,0.1Y(mol%)微合金化后合金抗氧化性增强,0.5Hf与0.1Y联合微合金化后合金氧化膜与基体粘附性明显增强,但合金氧化增重明显。对氧化膜进行的扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)及X射线衍射(XRD)分析表明,单独添加Y及Hf、Y联合添加促进了合金中形成以Al2O3为主的连续致密的氧化层,Hf、Y联合微合金化的合金中存在局部内氧化现象降低了该合金的抗氧化性。     

Al、Si及Y多元合金化对Cr-20Nb合金高温氧化行为的影响

针对软第二相Cr稍微降低Laves相NbCr2合金的1200℃抗氧化性,采用Al、Si及Y多元合金化来提高Cr-20Nb合金的高温抗氧化性能。结果表明,多元合金化的Cr-20Nb合金1100℃及1200℃抗氧化性均好于加入单一合金化的及纯Cr-20Nb合金,并随着Si合金元素含量增加,Cr-20Nb合金的氧化增重变小,抗氧化性变好;SEM结果表明,添加合金元素后,氧化膜与基体的粘附性得到了明显提高。     

XRD Investigations of the Phosphorus Effect on the Oxidation of TiAl Alloys by High-Resolution Methods

Recently it has been found that very small amounts (a few 100 ppm) of Padded to -titanium aluminide can significantly alter the oxidationbehavior between 973 and 1273 K. The mechanism responsible for this changeis, however, still not clear. In the present study, phosphorus wasincorporated into the surface of TiAl (containing 50 at.% Al) by ionimplantation and oxidation tests were carried out at 1173 K inair. Improvement of oxidation resistance is only temporary up to 100 hr forphosphorus-implanted TiAl. After 100 hr, the oxidation rate increases andbreakaway oxidation follows. XRD and EPMA showed that the breakawayoxidation is connected with massive nitride formation. Two different modelsare proposed which can explain the effect of phosphorus additions on theoxidation kinetics of TiAl during the protective stage within the first100 hr. The breakaway effect can be explained by penetration of air to themetal–oxide interface zone because of microcrack formation in theoxide scale, which was experimentally proved by acoustic-emission analysis.