滲硅TiAl基合金高溫氧化動力學(xué)及抗氧化機(jī)理研究.pdf

1、γ-TiAl基合金具有密度低，高溫比強(qiáng)度高、高溫比剛度高及耐高溫蠕變性良好等優(yōu)點(diǎn)，已成為最具潛力的新一代航空航天用輕質(zhì)高溫結(jié)構(gòu)材料之一。經(jīng)過十多年的研究，TiAl基合金的室溫塑性和韌性已得到明顯改善，然而750℃以上高溫抗氧化性能不足卻嚴(yán)重制約著其實(shí)際應(yīng)用。本人所在課題組提出并嘗試了通過固體滲硅在γ-TiAl基合金表面形成Ti<,5>Si<,3>層來提高其抗高溫氧化性能的思路及方法，近些年研究發(fā)現(xiàn)：對TiAl基合金表面滲硅處理后形成的以

2、Al<,2>O<,3>為主并分布有少量Ti<,5>Si<,3>的較薄外層，和以Ti<,5>Si<,3>為主并分布有少量Al<,2>O<,3>的較厚內(nèi)層組成的復(fù)合滲層，在900℃下長期循環(huán)氧化過程中不開裂，不剝落，與基體粘附性好，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗氧化性能。本文主要研究固體滲硅TiAl合金在900℃以上的高溫抗氧化性能，并研究合金在更高溫度下的氧化動力學(xué)規(guī)律和氧化機(jī)理，以期為TiAl基合金的高溫應(yīng)用提供一定的理論和實(shí)踐依據(jù)。 首先用混

3、合均勻的固體粉末對Ti-46.5 Al-2.5 V-1 Cr(at％)合金在1250℃進(jìn)行滲硅處理，并對未滲硅和滲硅的合金分別在900℃、1000℃、1100℃、1200℃的高溫下進(jìn)行周期為2h的循環(huán)氧化實(shí)驗(yàn)，用最小二乘法對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，研究了高溫下滲硅后合金的氧化動力學(xué)規(guī)律和氧化機(jī)理。結(jié)果如下： 未滲硅試樣在900℃循環(huán)氧化時(shí)，氧化4 h出現(xiàn)輕微剝落，1000℃、1100℃、1200℃氧化2h均呈現(xiàn)不同程度的黃色氧化皮，

4、而且均出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的剝落。滲硅處理后，合金在上述溫度下的抗氧化均得到明顯提高：在900℃氧化118 h后，試樣表面和截面結(jié)構(gòu)與滲硅前相比沒有明顯變化，滲層與基體結(jié)合良好，增重僅0.1875mg/cm<'2>；1000℃氧化118h后，出現(xiàn)輕微的剝落；1100℃氧化16 h、1200氧化4 h后，分別出現(xiàn)了不同程度的剝落。用最小二乘法對滲硅TiAl合金在900℃、1000℃、1100℃和1200℃的循環(huán)氧化數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合。結(jié)果表明：滲硅

5、TiAl基合金900℃氧化在所測試的118 h內(nèi)氧化動力學(xué)曲線呈拋物線規(guī)律；1000℃氧化0-50 h之間呈拋物線型規(guī)律，50-118 h之間呈直線型氧化規(guī)律；1100℃氧化在0-4 h之間呈拋物線型規(guī)律，4-8 h之間呈直線型氧化規(guī)律，8-16 h呈二次型加速氧化規(guī)律，16 h出現(xiàn)剝落現(xiàn)象；1200℃循環(huán)氧化呈二次型加速氧化規(guī)律，4 h出現(xiàn)剝落現(xiàn)象。求得相應(yīng)的氧化速率常數(shù)為：900℃時(shí)K<,p>=4.924E-5mg<'2>cm<'-

6、4>h<'-1>，1000℃時(shí)K<,p>≈7.778E-5mg<'2>cm<'-4>h，1100℃時(shí)．K<,p>≈9.392E-2mg<'2>cm<'-4>h<'-1>。即，當(dāng)溫度從900℃升高至1000℃時(shí)，K<,p>值雖有所增加，但仍保持在同一數(shù)量級；而當(dāng)溫度從1000℃升高至1100℃時(shí)，K<,p>值增加3個數(shù)量級以上。K<,p>值的如此巨大變化可能與TiAI基合金在1100℃以上循環(huán)氧化時(shí)升溫過程中發(fā)生從α<,2>+γ到α+γ相