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。     

γ-TiAl合金高温抗氧化涂层研究进展

TiAl基合金具有密度低、弹性模量大、比强度高等特点,是航空发动机用镍基高温合金最有竞争力的替代材料之一。本文从扩散渗、激光熔覆、双辉等离子渗金属、大气等离子喷涂、物理气相沉积等制备技术出发,概述了TiAl基合金高温抗氧化涂层的研究进展,并根据航空发动机性能持续提高对材料的高要求,提出了实现TiAl合金在先进发动机上应用的研究方向。     

Ti对Nb基合金高温抗氧化性能的影响

采用热重分析(TG)、X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)及能谱分析(EDS)等方法,研究Nb-Si-Ti(15%~26%,摩尔分数)-Hf-Al-Cr多元合金、Nb-Ti(0~50%)二元合金在1250℃大气中的高温氧化行为。通过Ti含量变化对合金氧化产物种类及氧化物PBR值的影响,探讨Ti含量对Nb基合金高温抗氧化性能的作用。结果表明:随着Ti含量的增加,合金的高温氧化产物从Nb2O5、Ti2Nb10O29、TiNb2O7和TiO2依次过渡。通过计算发现:Nb基合金的氧化产物Nb2O5、Ti2Nb10O29、TiNb2O7及TiO2的PBR值随着Ti含量的升高依次减小。氧化产物PBR值的下降,可以有效地降低Nb基合金氧化膜的生长应力、提高氧化膜的完整性、增大氧化膜的失效周期,提高Nb基合金的高温抗氧化性能。     

铬含量对镍基合金涂层高温氧化行为的影响机理

采用增重法对铬质量分数分别为30%和40%～45%的两种镍基合金涂层在500℃、650℃和800℃下的高温氧化行为进行了研究.并使用配有能谱分析仪的扫描电镜以及X射线衍射仪等检测设备对涂层氧化产物的形貌、成分和相组成进行了分析.发现铬含量对镍基合金涂层的抗高温氧化性能和氧化机理有着重要的影响.铬含量为40%～45%的涂层,其表面生成了连续的Cr2O3保护膜,具有相对较低的氧化速度.     

Ni-Cr-Al-Fe基合金粉末的高温抗氧化行为

研究Ni-Cr-Al-Fe基合金粉末在600 ℃空气中的高温抗氧化性能,分析铝含量和预氧化处理对合金粉末高温抗氧化行为的影响.利用水雾化法制备不同铝含量的Ni-Cr-Al-Fe基合金粉末,利用静态质量增加法研究不同铝含量合金粉末的氧化动力学,分别利用FE-SEM(EDS)和XRD观察分析不同合金粉末氧化膜的形貌及成分,结合氧化动力学及氧化膜的组成进一步分析不同合金粉末的高温氧化机理.结果表明:Ni-Cr-Al-Fe基合金粉末在600 ℃时的氧化质量增加遵循抛物线规律,铝含量的增加及预氧化处理均可提高合金粉末的抗氧化能力;铝含量的增加使氧化膜的组成由Cr2O3和Al2O3的混合结构转变为单一的Al2O3氧化膜结构,这有利于提高合金粉末的抗氧化性能;预氧化处理所形成的氧化膜有效地抑制Ni-Cr-Al-Fe基合金粉末的进一步氧化.     

Ni基合金高温抗氧化陶瓷涂层的制备及性能表征

为提高Ni基合金的高温抗氧化能力,采用陶瓷粘结相与Cr2O3制成料浆,在1300℃熔烧制备一层高温抗氧化陶瓷涂层.结果表明,该陶瓷涂层结构致密,与基体结合牢固,抗热震性能良好.涂层试样在1100℃空气中连续100h抗高温氧化实验表明:陶瓷涂层展现出良好的抗高温氧化能力.     

FeAl基合金的高温抗氧化性能分析

设计了二组化学成分不同的FeAl基合金,进行了1000℃的高温氧化试验,并对其进行了分析.结果表明,含碳量较高的材质较普通FeAl基合金的硬度高;B元素改善品界脆性,Zr使晶界同溶强化,提高了材料的冲击韧度和抗托强度;1000℃下,含碳量较低的FeAl基合金呈完全抗氧化性,其循环氧化动力学曲线均服从抛物线规律.     

热处理对TiAl-Nb基合金组织与蠕变性能的影响

通过对铸态、固溶、固溶+实效处理后的TiAl-Nb合金进行蠕变性能测试及组织形貌观察,研究了不同工艺对合金组织与蠕变性能的影响。结果表明,铸态TiAl-Nb合金的组织由层片状γ/α2两相组成,具有锯齿状不规则形态的晶界位于不同取向的层片状团簇之间,其晶界区域为单一γ相非层片状组织。经1320℃/0.5 h(油冷)+1250℃/8 h(炉冷)后,合金获得了规则、平直且均匀分布的层片状γ/α2两相组织,并消除了近晶界区域的非层片状γ单相,可明显提高合金的蠕变抗力。在800℃/200 MPa蠕变条件下,铸态合金的蠕变寿命是147 h,经固溶+时效处理后,合金的蠕变寿命提高到297 h,在施加800~840℃温度和200~240 MPa应力范围内,测定出热处理态合金在稳态蠕变期间的表观蠕变激活能为432 kJ/mol。在高温蠕变期间,铸态合金的蠕变应变主要发生在近晶界区域的非层片状单一γ相内;蠕变期间,固溶+时效态合金中的裂纹在与应力轴成45!角、且平行于层片状结构的晶界处萌生,并沿晶界扩展,是合金在蠕变期间的主要断裂机制。     

TiAl基合金表面Mo合金化试验研究

对TiAl基合金表面Mo合金化试验进行了研究,并对试验前后的TiAl进行了抗高温氧化性能测试。结果表明:TiAl表面Mo合金化后,在表面形成致密均匀的合金层,该合金层具有良好的抗高温氧化性能,能显著提高TiAl基合金的抗高温氧化能力。     

机械合金化和微量添加剂对TiAl基合金显微组织及高温抗氧化性能的影响

研究了采用机械合金化方法制备TiAl基合金的工艺及其对显微组织的细化作用，概述了一系列添加剂对TiAl基合金高温抗氧化性能的影响。     

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。     

全片层组织TiAl-Nb合金屈服强度的价键理论计算

在TiAl基合金相空间与相界面价电子结构计算的基础上,利用表征相结构单元成键能力的相结构因子F与表征界面结合强度的界面结合因子△ρ给出了一种计算TiAl基合金屈服强度的方法.该方法以实验数据为基础,进行回归分析求α2相体积分数,以理论屈服强度与实际屈服强度之差是否满足一级近似作为合金基体γ相强度σs^γ-TiAl取值的判据,用相结构单元最强键上的共用电子对数nA计算Nb在γ相与α2相中的含量Wγ^Nb和Wα2^Nb.计算了全片层TiAl,TiAl-8Nb,TiAl-10Nb合金的屈服强度,与实测值比较,理论计算结果令人满意.     

TiAl合金表面高温抗氧化性工艺技术研究现状

TiAl合金由于其密度低,比强度和比刚度高,是航空、航天工业理想的新型高温结构材料.但温度超过800℃.其高温抗氧化性不足已严重影响其实际广泛应用,如何提高TiAl合金的高温抗氧化性已成为普遍关注的问题.本文综述了当今国内、外TiAl合金高温抗氧化性工艺技术的研究现状,重点介绍了表面合金化工艺技术和表面防护涂层工艺技术及其发展趋势.     

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。     

High-temperature oxidation of Al-Mg alloys

Surface-analysis techniques (x-ray photoelectron spectroscopy and Auger electron spectroscopy) and electron microscopy (SEM and TEM) have been used to study the mechanism of steady-state high-temperature oxidation of Al-Mg alloys. Two high-purity alloys containing 0.4 and 2.0 wt.% Mg were heat-treated in dry air at 550°C up to 90 hr. It was found that the oxide layer was composed of MgO and spinel (MgAl₂O₄), the major constituent being MgO. The molar concentration of MgO decreased with increasing depth, while that of spinel increased. The rate-controlling mechanism for the growth of the oxide layer in the Al-0.4Mg alloy was the solid-state diffusion of Mg in the MgO-spinel constituents. For alloys of higher-magnesium content, the growth of the oxide layer was controlled by solid-state diffusion of Mg through the adherent protective oxide areas and by the transport of Mg vapor across voids formed between the alloy substrate and the oxide layer.     

晶粒细化对Cu-Si合金高温氧化行为的影响

采用电弧熔炼(CA)和机械合金化(MA)方法制备了晶粒尺寸差别较大的二元单相Cu-Si合金(CACu-0.6Si和MACu-0.6Si,CACu-3.6Si和MACu-3.6Si),并研究了它们在700和800℃纯O2中的高温氧化行为。用光学显微镜(OM)、X射线衍射仪(XRD)及带有能谱的扫描电子显微镜(SEM/EDX)等对合金组织、氧化膜形貌及组成等进行观察和分析。结果表明:2种方法制备的Cu-Si合金氧化后均形成了CuO→Cu2O→Cu2O+SiO2(富SiO2)→内氧化区结构的氧化膜,但未形成连续的SiO2保护膜。2种成分的机械合金化Cu-Si合金的氧化速度小于相同温度下同成分的熔炼Cu-Si合金。     

铸态TiAl-Nb合金的组织结构与蠕变性能

通过蠕变性能测试和组织形貌观察,研究了铸态TiAl-Nb合金在近890~910℃温度区间的蠕变行为。结果表明,铸态TiAl-Nb合金的组织结构主要由层片状γ/α_2两相组成,不同取向γ/α_2两相层片状组织之间存在不规则锯齿状形态的晶界,该锯齿状非层片晶界由单一γ相组成。在高温蠕变期间,合金具有较好的蠕变抗力和较长的蠕变寿命;合金在蠕变期间的变形机制是大量位错以位错列的形式剪切层片状γ/α_2两相,其中,大量位错在基体中滑移,发生反应可形成位错网,可促进位错的攀移,减缓应力集中,改善合金的蠕变抗力。与α_2-Τi_3Al相比,γ-TiAl相有较弱的强度。因此,蠕变期间合金中的裂纹易于在与应力轴呈45°角、且与层状结构相平行的晶界处萌生与扩展,直至蠕变断裂是合金在蠕变期间的断裂机制;其中,与层状结构相平行的断口呈光滑表面,而与层状结构呈一定角度的断裂表面存在撕裂棱,为较高强度的α_2-Ti_3Al相阻碍裂纹扩展所致。     

Co对铸态TiAl-Nb合金组织和高温氧化性能的影响

采用非自耗电弧熔炼方法经多次重熔制备了Ti45Al-6Nb-xCo合金(x=0, 0.5, 1, 2和4 at.%),研究了不同Co含量合金的组织结构和高温抗氧化性能。结果表明,增加合金中的Co含量能够细化α₂+γ片层组织,促进合金中形成γ和B₂相,并抑制α₂相形成;合金中Co含量超过2 at.%会导致富Co相析出和组织粗化。1000℃空气中的恒温氧化结果表明,适量的Co合金化能够显著改善TiAl-Nb合金的高温抗氧化性能;Ti45Al-6Nb-1Co合金的氧化的抛物线速率常数约为1.36×10^_-2mg^₂/cm^₄h,较Ti45Al-Nb合金低约1个数量级;但Co含量超过2 at.%后,随Co含量增加,合金的氧化速率呈增加趋势。     

TiAl基合金显微组织对高温抗氧化性的影响

研究了Ｔｉ－３３Ａｌ－３Ｃｒ－０．５Ｍｏ（ｗｔ％）合金的近ｒ相组织、双态组织、近层片状组织和全层片状组织等几种典型显微组织对其９００℃下循环氧化过程中高温抗氧化性的影响。结果表明，双态组织试高温抗氧化性最好，而近层片状组织试样的高温抗氧化性最差。使用扫描电子显微镜及能谱、波谱分析仪分析了各种显微组织试样的氧化层结构和组成。