渗硅TiAl基合金高温氧化动力学及抗氧化机理研究

论文摘要

γ-TiAl基合金具有密度低，高温比强度高、高温比刚度高及耐高温蠕变性良好等优点，已成为最具潜力的新一代航空航天用轻质高温结构材料之一。经过十多年的研究，TiAl基合金的室温塑性和韧性已得到明显改善，然而750℃以上高温抗氧化性能不足却严重制约着其实际应用。本人所在课题组提出并尝试了通过固体渗硅在γ-TiAl基合金表面形成Ti5Si3层来提高其抗高温氧化性能的思路及方法，近些年研究发现：对TiAl基合金表面渗硅处理后形成的以Al2O3为主并分布有少量Ti5Si3的较薄外层，和以Ti5Si3为主并分布有少量Al2O3的较厚内层组成的复合渗层，在900℃下长期循环氧化过程中不开裂，不剥落，与基体粘附性好，表现出优异的抗氧化性能。本文主要研究固体渗硅TiAl合金在900℃以上的高温抗氧化性能，并研究合金在更高温度下的氧化动力学规律和氧化机理，以期为TiAl基合金的高温应用提供一定的理论和实践依据。首先用混合均匀的固体粉末对Ti-46.5 Al-2.5 V-1 Cr（at％）合金在1250°C进行渗硅处理，并对未渗硅和渗硅的合金分别在900℃、1000℃、1100℃、1200℃的高温下进行周期为2h的循环氧化实验，用最小二乘法对实验数据进行拟合，研究了高温下渗硅后合金的氧化动力学规律和氧化机理。结果如下：未渗硅试样在900℃循环氧化时，氧化4h出现轻微剥落，1000℃、1100°C、1200℃氧化2h均呈现不同程度的黄色氧化皮，而且均出现了较为严重的剥落。渗硅处理后，合金在上述温度下的抗氧化均得到明显提高：在900°C氧化118h后，试样表面和截面结构与渗硅前相比没有明显变化，渗层与基体结合良好，增重仅0.1875mg／cm2；1000℃氧化118h后，出现轻微的剥落；1100℃氧化16h、1200氧化4h后，分别出现了不同程度的剥落。用最小二乘法对渗硅TiAl合金在900℃、1000℃、1100℃和1200℃的循环氧化数据进行了拟合。结果表明：渗硅TiAl基合金900℃氧化在所测试的118h内氧化动力学曲线呈抛物线规律；1000℃氧化0-50h之间呈抛物线型规律，50-118h之间呈直线型氧化规律；1100℃氧化在0-4h之间呈抛物线型规律，4-8h之间呈直线型氧化规律，8-16h呈二次型加速氧化的律，16h出现剥落现象；1200℃循环氧化呈二次型加速氧化规律，4h出现剥落现象。求得相应的氧化速率常数为：900℃时Kp≈4.924E-5mg2cm-4h-1，1000℃时Kp≈7.778E-5mg2cm-4h，1100℃时Kp≈9.392E-2mg2cm-4h-1。即，当温度从900℃升高至1000℃时，Kp值虽有所增加，但仍保持在同一数量级；而当温度从1000℃升高至1100℃时，Kp值增加3个数量级以上。Kp值的如此巨大变化可能与TiAl基合金在1100℃以上循环氧化时升温过程中发生从α2+γ到α-γ相变及降温过程中发生相反方向的相变以及由此引起的相变应力有关：二元TiAl基合金的等温共析转变温度为1125℃，而本课题采用的合金中添加了Cr和V合金元素，而且又通过渗硅处理，因而相变可能在更低的温度下发生。但尽管如此，渗硅仍然使合金在1100℃和1200℃的抗氧化能力得到明显提高。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 金属间化合物高温结构材料的研究现状与发展概述
• 1.2 Ti-Al系金属间化合物的研究现状
• 1.2.2 TiAl基合金的研究现状
• 1.3 TiAl基合金力学性能与工艺、显微组织
• 1.3.1 合金元素对强度和延性的影响
• 1.3.2 热处理对组织与性能的影响
• 1.3.3 显微组织与力学性能的关系
• 1.4 金属间化合物高温氧化
• 1.4.1 化热力学与动力学基本概念
• 1.4.2 高温氧化基本过程与影响因素
• 1.4.3 高温氧化实验方法
• 1.4.4 Ti-Al系高温氧化
• 1.5 TiAl基合金高温氧化
• 1.5.1 TiAl合金氧化过程中的氮效应
• 1.5.2 改善γ-TiAl合金抗氧化性的研究进展
• 1.6 本文选题
• 第二章 研究方法
• 2.1 工艺路线
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 实验材料
• 2.2.2 试样制备
• 2.2.3 渗硅实验
• 2.2.4 高温氧化实验
• 2.3 检测与分析
• 2.3.1 检测方法
• 2.3.2 检测设备
• 2.3.3 数据处理
• 第三章 实验结果与分析
• 3.1 渗硅层组织结构
• 3.2 Bare试样高温氧化
• 3.2.1 Bare试样的氧化增重
• 3.2.2 Bare试样氧化后组织结构分析
• 3.3 渗硅 TiAl合金高温循环氧化动力学
• 3.4 高温循环氧化后渗硅试样组织结构
• 3.4.1 900℃-118h循环氧化后渗硅试样组织结构
• 3.4.2 1000℃-118h循环氧化后渗硅试样的组织结构
• 3.4.3 1100℃-16h循环氧化后渗硅试样的组织结构
• 3.4.4 1200℃-4h循环氧化后渗硅试样的组织结构
• 3.5 本章小结
• 第四章 TiAl渗硅层的形成及抗高温氧化机理
• 4.1 渗硅层的形成条件及形成过程
• 4.1.1 渗硅层形成条件
• 4.1.2 渗硅层结构形成过程
• 4.1.3 复合渗层形成时的影响因素
• 4.1.4 渗层厚度的影响因素
• 4.2 抗氧化机理探讨
• 4.2.1 复合渗层在高温氧化过程中的作用
• 4.2.2 渗层厚度对抗氧化性能的影响
• 4.3 渗层退化机理探讨
• 4.3.1 渗硅层退化机制
• 4.3.2 高温下渗硅 TiAl合金的退化机理讨论
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文