Nb元素对粉末冶金TiAl基合金高温氧化行为的影响.pdf

第 2 0 卷第 4 期 Vb 1 ．2 O NO ． 4 粉末冶金材料科学与工程 M a t e r i a l s S c i e n c e a n d En g i n e e r i n g o f P o wd e r M e t a l l u r g y 2 0 1 5 年 8月 Au g． 2 01 5 N b元素对粉末冶金 T i A I 基合金 氧化行为的影响 欧阳思慧，刘彬，李建波，徐礼友，刘 咏 中南大学 粉末冶金国家重点实验室，长沙 4 1 0 0 8 3 吉 日 同皿 摘要采用等离子旋转电极法制备 T i 一 4 7 A1 2 C r - 0 ． 2 Mo ，T i 一 5 0 A1 2 Nb ． 0 ． 3 W 和 T i ． 4 5 A1 ． 7 Nb ． 0 ． 3 w 元素含量均为 原子分数， ％ 3种预合金粉末，再通过热等静压制备成块体合金， 在 9 5 0℃空气环境中进行合金的高温氧化实验， 并利用扫描电镜 S E M 观察与分析合金氧化后的表面形貌以及截面的元素面分布，用 x射线衍射 X R D 分析氧化 膜的相组成，研究 Nb元素及其含量对 T 1 基合金高温氧化行为的影响。结果表明N b元素的添加可提高粉末 冶金 T i A 1 基合金的抗氧化性能，这 3种合金中T i 一 4 5 A 1 7 N b 一 0 ． 3 W 合金的抗氧化性能最好，经过 8 0 h氧化后质量 增量仅为2 ． 4 8 4 mg ／ c m ， 为不含 N b合金的 1 2 ． 4 4 ％， 并且氧化膜整体厚度最薄， 最厚的地方氧化膜厚度约为8 ． 3 g m。 该合金表面形成连续致密的A1 2 O 3 氧化层，氧化膜从外向内依次为 T i O 2 层／ A1 2 O3 层／ T i ， N b O 2 层／ 富 A 1 和 N b层。 关键词粉末冶金；T i A1 基合金；高温氧化；Nb 中图分类号T G1 7 2 ． 8 2 文献标识码A 文章编号1 6 7 3 ． 0 2 2 4 2 0 1 5 4 6 1 6 ． 0 7 Ef f e c t o f Nb o n h i g h t e mpe r a t u r e o x i d a t i o n be h a v i o r o f po wde r m e t a l l u r g y Ti Al ba s e d a l l o y OUY ANG S i h u i ， L I U Bi n ， LI J i a n b o ， XU Li y o u ， LI U Yo n g S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f P o we r Me t a l l u r g y , C e n t r a l S o u t h Un i v e r s i t y , C h a n g s h a 4 1 0 0 8 3 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e a l l o y s T i 一 4 7 A1 2 C r - 0 ．2 Mo ． T i 一 5 0 A 1 2 Nb 一 0 ． 3 W a n d T i 一 4 5 A1 7 N b 一 0 ． 3 W a t ． ％ w i t h h o mo g e n e o u s mi c r o s t r u c t u r e h a v e b e e n p r e p a r e d b y p l a s ma r o t a t i n g e l e c t r o d e p r o c e s s i n g a n d t h e n h o t i s o s t a t i e p r e s s e d ． T h e o x i d ati o n b e h a v i o r s o f t h r e e Nb c o n t a i n i n g a l l o y s o x i d i z e d a t 9 5 0℃ i n a i r we r e s y s t e ma t i c a l l y i n v e s t i g a t e d b y s c a n n i n g e l e c t r o n mi c r o s c o p y a n d X r a y d i f f r a c t i o n ．Th e r e s u l t s o f t h e e x p e r i m e n t s i n d i c a t e t h a t o x i d a t i o n r e s i s t a n c e o f t h r e e p o we r me t a l l u r g y T i A1 b a s e d a l l o y s i s s i g n i fi c a n t l y i mp r o v e d b y N b a d d i t i o n ． F o r t h e s e t h r e e a l l o y s ， t h e o x i d e fi l m f o r me d o n T i 一 4 5 A1 7 Nb - 0 ． 3 W a l l o y i s t h e t h i n n e s t ， a n d the t h i c k n e s s i s a b o u t 8 ．3 n． T h e a d d i t i o n o f Nb a l s o d e c r e a s e s t h e c r i t i c a l AI c o n t e n t t o f o r m a c h e mi c a l l y u n i f o rm d e n s e a l u mi n a ．T h i s u n i f o r m a l u m i n a l a y e r i mp e d e s t h e i n wa r d d i f f u s i o n o f o x y g e n a n d t h e o u t wa r d d i f f u s i o n o f me t a l l i c e l e me n t s ． T h e a l l o y p r e p a r e d d i s p l a y s b e r e t o x i d a t i o n r e s i s t a n c e a t h i g h t e mp e r a t u r e i n t h e a i r ． Th e fi l m s t r u c t u r e o f T i 一 4 5 A1 7 Nb 一 0 ． 3 W f r o m o u t s i d e t o wa r d i n s i d e i s i n o r d e r o f T i O2 l a y e ff A1 2 03 l a y e r ／ T i ,Nb O 2 l a y e r ／ A 1 ， N b - r i c h l a y e r ． Ke y wo r d s p o we r me t a l l u r g y ； Ti AI b a s e d a l l o y ； h i g h t e mp e r a t u r e o x i d a t i o n ； Nb 粉末冶金 T i A1 基合金的密度低、比强度和比模量 高r 其高温力学性能与镍基合金相似， 但密度只有镍基 合金的 l ／ 2 ，并具有 良好的抗氧化性能和抗蠕变性 能 ，广泛应用于汽 车、航 天、航空等领域 ，特 别是 在航空高温结构材料方面，T i A l 基合金是最有希望替 代镍基高温材料的理想材料 。虽然 T i Al 基合金具有 较好的高温强度，但环境温度高于 8 0 0℃时，其抗氧 化能力迅速下降，制约了其在高温条件下的潜在应 用p - 4 ] 。因此研究 T i A 1 基合金 的氧化行为和提高其抗 氧化性能具有重要意义 。 基金项目国家重点基础研究发展规划 9 7 3计划 资助项 目 2 0 1 1 C B 6 0 5 5 0 5 收稿 日期2 0 1 4 ． 0 8 ． 2 6 ；修订日期2 0 1 4 1 2 ． 2 2 通讯作者刘彬，副教授，博士。电话8 8 8 3 0 4 0 6 ； E - ma i l b in k i n 1 2 6 ． c o rn 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 2 2 粉末冶金材料科学与工程 2 0 1 5 年 8月 4 结论 1 少量 Nb 元素 的加入能显著提高粉末冶金 T i A l 基合金的抗氧化性 能。 在 8 5 0℃空气环 境中氧化 8 0 h 后，T i - 4 7 A1 2 C r ． 0 ． 2 Mo 合金 的质量增量为 1 9 ． 9 6 4 mg ／ cm 2 ，T i - 5 0 A1 ． 2 N b ． 0 ． 3 W 合金的质量增量为 4 ． 0 2 8 mg ／ c m 2 ，为不含 N b合金的 1 ／ 5 ，而 T i ． 4 5 A 1 。 7 N b ． 0 ． 3 W 合 金的质量增 量仅 为 2 ． 4 8 4 mg ／ c m 。 2 T i A1 基合金经过高温氧化后形成的氧化膜结 构 由外向内依次为 T i O 2 层／ Al 2 O 3 层／ T i ， Wo O 2 层／ 富 A l 和 Nb层 。 【 2 ] [ 3 ] [ 4 】 [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] REFERENCES 彭超群，黄伯云，贺跃辉，等． T i A1 基合金的抗氧化性及其改 善[ J ] ． 稀有金属材料与工程， 1 9 9 9 ， 2 8 2 9 3 9 6 ． P ENG Ch a o q u n， HUANG Ba i y u n， HE Yu e h ui ， e t a 1 ． O x i d a t i o n r e s i s t a n t a n d i t s i mp r o v e me n t o f t h e T i A1 a l l o y s[ J ] ． R a r e Me t a l Ma t e ri a l s a n d E n g i n e e ri n g ， 1 9 9 9 ， 2 8 2 9 3 9 6 ． P ARANS KY GOTM A I ，GUTM ANAS E Re a c t i v e p h a s e f o r ma t i o n a t A1 N T i a n d A1 N T i A1 i n t e r f a c e s[ J ] _Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g A， 2 0 0 2 ， 2 7 7 1 ／ 2 8 3 8 4 ． C HE N G S U N Z ， Z HOU X． Ox i d a t i o n o f i n t e r me t a l l i c a l l o y s i n Nb T i - A l t e ma r y s y s t e m [ J ] l C o r r o s i o n ， 1 9 9 2 ， 4 8 1 1 9 3 9 9 4 6 长奇诚三 ，平林 真．二元 合金状态 图集[ M] ．刘平 安，译．北 京冶金工业出版社． 2 0 0 3 3 2 0 ． NAGAS AKI S ， HI RABAYAS HI M． Bi n a r y a l l o y p h a s e - d i a g r a ms [ M] L I U A n p i n g ．T r a n s 1 ．B e j i n g Me t a l l u r g i c a l I n d u s t r y P r e s s ， 2 0 0 3 3 2 0 ． 李美栓．金属 的高温氧化 [ M] ．北京冶 金工业出版社，2 0 0 1 l 4 9． L I Me i s h u a n ．Hi g h T e m p e r a t u r e O x i d a t i o n o f Me t a l s[ M] ． Be i j i n g Me t a l l u r g i c a l I n d u s t r y P r e s s ， 2 0 0 1 1 4 9 ． YOS HI HARA M ． M I URA K ． Effe c t s o f Nb a d d i t i o n o n o x i d a t i o n b e h a v i o r o f T i A1[ J ] ．I n t e r me t a l l i c s ，1 9 9 5 ，3 5 3 5 7 -6 3 ． VARM A S K，CHAN A，M AHAP ATR A B N．S t a t i c a n d c yc l i c o x i d a t i o n o f T i 一 4 4 A1 a n d T i 一 4 4 Al mNb a l l o y s【 J J ． Ox i d a t i o n o f [ 8 】 [ 9 ] [ 1 O 】 [ 1 2 】 [ 1 3 ] [ 1 4 】 [ 1 5 ] [ 1 6 ] [ 1 7 】 Me t a l s ， 2 0 0 1 ， 5 5 5 4 2 3 4 3 5 ． Y AN Qi y u n ， Z HA NG Z h e n q i ， L UO G u o - z h e n ，e t a 1 ． M i c r o s t r uc t u r e s o b s e r v a t i o n a n d ho t c o mp r e s s i n g t e s t s o f TiA 1 b a s e d a l l o y c o n t a i n i n g h i g h Nb [ J ] ．Ma t e r i a l s S c i e n c e and E n g i n e e ri n gA， 2 0 0 0 ， 2 8 0 1 1 8 7 1 9 1 ． KOF S T AD P Hi g h t e mp e r a t u r e c o r r o s i o n[ J 】 ． E l s e v i e r Ap p l i e d Sc i e n c e A，1 9 8 8 ，l 1 3 8 2 3 8 5 ． J I ANG H R， HI ROHAS I M ，LU e t a 1 ．Ef f e c t o fNb o n t h e h i g h t e mp e r a tur e o x i d a t i o n o f T i 0 5 0 a t ． ％ Al[ J ] ．S c ri p ta Me t e r i a l i a ， 2 0 0 2 ， 4 6 9 6 3 9 6 4 3 ． ZHAO L L，LI N J W AN G Y L， e t a 1 ． E a r ly o x i da t i o n b e h a v i o r s o f T i 5 0 AI a n d T i 4 5 AI 8 N b a l l o y s a t h i 曲 t e mp e r a t u r e [ J ] ． Ac t a Me t a l lu r g i c a S i n i c a ， 2 0 0 8 ， 4 4 5 5 5 7 5 6 4 ． MAU RI CE DE S P E R T G Z ANN A S ，e t a 1 ． XP S s tud y o f i n i t i a l s t a ge o f o x i d a t i o n be h a vi o r o f I1 2 一 T i 3 AI a n d 7 - Ti A1 i n t e r me tal l i c a l l o y[ J ] ． Ac t a Ma t e r , 2 0 0 7 ， 5 5 1 0 3 3 1 5 3 3 2 5 ． CHOUDHURY N S ， GRAHAM H C．HI NZ E J W e t a 1 ． O x i d a t i o n b e h a v i o r o f t i t a n i u m a l u mi n a i d e s[ el ／ ／ F OR OU KUS E A，PE TTI T F S．Pr o p e r t i e s o f Hi g h Te mpe r a t u r e Al l o y s wi t h E mph a s i s o n E n vi r o n m e n t a l Ef f e c t s ．P rin c e t o n． N J El e c t r o c h e mi c a l S o c i e t y ,1 9 7 6 6 6 8 6 8 0 ． 李丹，易丹青，张霞，等． Nb 一 3 8 T i 一 1 1 S i 一 3 AI新型高温 合 金 的氧化 行 为[ J ] ．粉末 冶金 材 料科 学 与工程 ，2 0 0 6 ，I 1 3 1 49 -1 5 4 ． L I Da n ， YI Dan - q i n g ， ZHANG Xi a ， e t a 1 ． Ox i d a t i o n be h a v i o r o f Nb 一 3 8 T i 一 1 1 S i 一 3 A1 n o v e l h i g h t e mp e r a t u r e a l l o y [ J ] ． Ma t e ri a l s S c i e n c e and E n g i n e e ri n g o f P o wd e r Me t a l lu r g y ，2 0 0 6 ，l 1 3 1 49 -1 5 4 ． ZHANG We i ，LI U Yo n g ，HU ANG J i n - s o n g ，e t a 1 ．Re s e a r c h p r o gr e s s a n d p r o s pe c t s f o r r e f r a c t o ry Ti A1 a l l o y wi t h h i g h Nb c o n t e n t [ J ] ． Ra r e Me tal s L e t t e r s ， 2 0 0 7 ， 2 6 8 卜6 ． WANG G，GL EES 0N B，DOUGLASS D L．An e x t e n s i o n o f wa g n e r s ana l y s i s o f c o mp e t i n g s e a l f o r ma t i o n[ J ] ． Ox i d a t i o n o f Me t a l s ， 1 9 9 1 ， 3 5 9 3 1 7 3 3 2 ． 许谅亮 ，张霞，肖来荣，等． N b T i AI高温铌合金氧化行为 研究[ J ] ．稀有金属与硬合金， 2 0 0 6 ， 3 4 4 6 - 1 0 ． XU Li a n g l i a n g ， ZHANG Xi a ， XI AO La i r o n g ，e t a 1 ．Oxi d a t i o n b e h a v i o r o f Nb T i A1 a l l o y s a t h i g h t e mp e r a t u r e [ J ] ． Ra r e Me t a l s a n d C e me n t e d Ca r b i d e s ， 2 0 0 6 ， 3 4 4 6 -1 0 ． 编辑汤 金芝 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m