TiAl合金具有高的比强度、比刚度,以及良好的耐高温蠕变性等优点,作为轻型高温结构材料倍 受航空航天以及汽车工业的青睐<1~4>.但是,该合金的抗高温氧化性能较差,已经成为制约 其在工业领域中应用的重要因素之一.目前的研究表明,Nb,W,Cr,Si等合金元素不但可 以改善TiAl合金的高温机械性能,而且可以不同程度地改善TiAl合金的高温氧化性能<5 ~8>,已经成为TiAl合金的重要添加元素.其中,广泛研究的合金化元素是Nb<9>,但 由于Nb含量的增加会导致合金的密度增加,削弱TiAl合金同其他合金的竞争力.因此,如何 在不显著增加合金密度的情况下,使TiAl合金高温机械性能和抗氧化性能都得到进一步提高就 具有特别重要的实际意义<10>.轻元素Si能够显著提高TiAl合金的抗蠕变持久性能<1 1>,而且Si也能改善TiAl合金的抗氧化性,因而在近期发展的高性能TiAl合金中常含 有一定量的Si.可见Si对TiAl合金综合性能的影响已成为目前的热门话题.为了更准确地 把握Si对TiAl合金抗氧化性的作用,本文采用固定Ti和Al的比例,在更大的视角范围内 (Si含量,即原子数分数x(Si)为0~20%下文同),探讨了Si对TiAl合金高温氧 化的作用.1试验方法氧化样品使用质量分数分别为99.5%,99.99%,99.9%的Ti,Al,Si为原料,采用非自耗真空电弧炉冶炼而成,每个样品翻转熔炼3遍,锭重0.02kg.为了准确地衡量Si对TiAl合金高温抗氧化性能的作用,基体成分采用x(Ti)∶x( Al)=1∶1(原子数分数配比),Si的添加量x(Si)依次为0,3%,5%,8%,10%,15%,20%.氧化样品用电火花线切割成10mm×10 mm×1 mm,各表面用不同粒度SiC砂纸依次磨至800#,氧化前用丙酮清洗.氧化试验在箱式电阻炉中进行,氧化条件为1 173 K的大气气氛,时间24 h.氧化试验时,将氧化试样放入预先灼烧至恒重的氧化铝坩埚中,为了保证试样的6个面都与空气 有充分接触,将试样斜置于坩埚中,使之与坩埚壁保持点(线)接触.每种合金的氧化试验用3个 平行试样.氧化后利用X射线衍射(CuKa)分析氧化产物类型,利用JSM-5800扫描电镜(SEM)观察氧化表面的形貌和测量氧化膜的厚度,横断面上的合金元素分布则采用LinkISIS能谱仪(EDS)进行分析.2试验结果与讨论2.1表面氧化膜的组成及形貌分析图1为TiAl合金经1 173 K,24 h氧化后氧化膜的厚度变化范围与x(Si)的关系.从图中可以看出,随着x(Si)的增加,氧 化膜的厚度变化是依次减薄的.当x(Si)为0时,氧化膜的厚度大约在10.8~12.5μ m之间,而x(Si)在10%以上时,TiAl合金氧化膜最薄处厚度低于2μm.这结果大大 优于TiAl-15Nb合金<12>,与TiAl3合金抗氧化性能接近<4>,表明Si可以有效地提高TiAl合金抗氧化性.图2为不同x(Si)的TiAl合金经1173 K,24 h氧化后的XRD谱及谱线标定.氧化过程中没有发现氧化膜的脱落.Si的加入对X射线衍射谱有 明显影响.不含Si的合金氧化后表面呈淡黄色,X射线衍射分析(见图2)表明其氧化产物为A l2O3和金红石型TiO2,并以TiO2为主;含Si合金氧化后表面呈灰色,X射线衍射分 析表明,x(Si)低于10%时,其氧化产物以Al2O3为主,有部分TiO2,随着x(S i)的增加,氧化产物由TiO2逐渐过渡到Al2O3;x(Si)大于10%时,氧化产物为 单一Al2O3相,合金抗氧化能力大大提高.X射线衍射分析表明,x(Si)在0~20%的添加过程中并没有发现Si的氧化物生成.图1TiAl合金经1 173 K,24 h氧化后氧化膜的厚度变化范围与x(Si)的关系图2不同x(Si)的合金1 173 K,24 h氧化后的XRD谱用扫描电镜对氧化后的试样表面进行观察,图3为不同x(Si)的TiAl合金在氧化24 h后的氧化膜表面形貌.不含Si的TiAl合金氧化后表层生成的TiO2晶粒较为粗大,棱柱之 间存在较大间隙(见图3a).Si的添加使TiO2晶粒显著细化,而且局部地区能够看到氧化 前砂纸预磨过程中留下的划痕(见图3b),x(Si)大于10%时,氧化产物转变为单一的A l2O3相(见图3c和图3d),氧化膜连续致密.结合XRD分析和表面形貌结果可以看出, 随着x(Si)的增加,TiO2颗粒变得细小,氧化产物由TiO2逐渐过渡到Al2O3,x (Si)大于10%时,表面形成单一Al2O3相,也就是说氧化膜变得致密了,抗氧化性也随之提高.aTiAl-0Si b TiAl-5Sic TiAl-10Si d TiAl-20Si图3 Si对TiAl合金1 173 K,24 h氧化后表面形貌的影响2.2氧化膜截面分析合金抗高温氧化性能取决于氧化膜的组成和结构,而 Si对TiAl合金氧化膜组成和结构的影响从氧化膜横截面能得到更直接的反映.图4是2种不同x(Si)的TiAl合金横截面的线分析结果.图4a是TiAl-10Si合金经1173 K,24 h氧化后的线扫描结果,可以看出该合金氧化膜主要由Al和O元素组成,结合X射线衍射分析结果 可知氧化膜主要为Al2O3,而且氧化膜连续致密,氧化膜厚度低于2μm;氧化膜中也有少量 的Ti,表明Ti元素也向氧化膜中扩散,但速度较不含Si的TiAl合金慢得多.从TiAl -15Si合金氧化后线扫描结果可以看出(见图4b),氧化膜几乎全部为Al和O元素组成, 即氧化膜完全由Al2O3组成,氧化膜中几乎没有Ti的存在,Ti元素的向外扩散进一步得到 有效抑制.而且在这2种x(Si)条件下,在氧化膜中都没有出现与O峰对应的Si峰,即没有 Si的氧化物生成,这与前面提到的XRD谱线标定中没有发现Si的氧化物生成的结果是相符合 的.图5是Si对TiAl-20Si合金氧化层横截面元素分布的影响.x(Si)为20%的合金试样经过1173 K,24 h氧化后,试样表面生成的是具有保护性的连续Al2O3膜.从上面分析结果可以看出,氧化膜中 主要是Al和O,而氧化膜中x(Ti)很少.结合图4与图5可以得出,x(Si)为10%,15%,20%的TiAl合金氧化膜都是单一的Al2O3结构,而且氧化膜的厚度都较小.aTiAl-10Sib TiAl-15Si图4不同x(Si)时TiAl合金横截面线分析Si对TiAl合金抗氧化性 能的影响主要是由于Si对TiAl合金氧化膜结构的作用引起的.二元TiAl合金氧化过程T i与O有很强的亲合力,两者极易发生反应,其产物为TiO2,由于TiO2多为冰糖状,因而 很难形成致密的氧化层,不能阻止氧向合金进行扩散.在TiAl合金中添加Si以后,一方面使 合金氧化表层形成细小致密的TiO2,另一方面有助于氧化层中形成连续致密的Al2O3层, x(Si)大于10%时,氧化表层是单一的Al2O3膜,使TiAl合金得到保护,原因可能 是这些成分的合金可以有效地降低Ti离子的活度、阻碍Ti离子的向外扩散,抑制了高温氧化过 程中TiO2的生成,相对来说增强了Al的活度,促使表面形成连续致密的Al2O3膜,使TiAl合金基体得到了保护,有效地改善了TiAl合金的高温抗氧化性能.图5经过1173 K,24 h氧化后TiAl-20Si中Si在氧化膜中的分布3结论1)Si元素可以有效地提高TiAl 合金的高温抗氧化性能;2)随着x(Si)的增加,氧化膜厚度依次减薄,TiO2的量逐渐减 少,Al2O3的量增加,添加到10%左右时可有连续致密的Al2O3保护膜形成;3)Si 在0~20%的添加过程中并没发现Si的氧化物生成;4)Si对抗氧化性能的贡献可归结于S i与Ti有很好的亲和力,可以有效地降低Ti离子的活度、阻碍Ti离子的向外扩散.Si对TiAl合金高温抗氧化性能的影响@肖伟豪$北京航空航天大学材料科学与工程学院!北京100083
@张亮$北京航空航天大学材料科学与工程学院!北京100083
@姜惠仁$北京航空航天大学材料科学与工程学院!北京100083利用X射线衍射、扫描电镜、能谱仪等手段研究了TiAl-Si(原子数分数为0~20%)合金在1 173 K大气中24 h的恒温氧化.结果表明:Si元素可以有效地提高TiAl合金的高温抗氧化性能;随着Si含量 的增加,氧化膜厚度依次减薄,TiO2的含量逐渐减少,Al2O3的含量逐渐增加,添加到1 0%左右时就有连续致密的Al2O3保护膜形成;Si在0~20%的添加过程中并没发现Si 的氧化物生成.分析表明:Si对抗氧化性能的贡献可归结于Si与Ti有很好的亲和力,可以有 效地降低Ti离子的活度、阻碍Ti离子的向外扩散,相对来说增强了Al离子的活度,促进连续致密的Al2O3保护膜生成.Si合金化;;TiAl合金;;抗氧化性<1>KimY W.Intermetallic alloys based on gamma titanium aluminide
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<2>周春根,徐惠彬,宫声凯,等.TiAl合金高温循环氧化行为及表面改性研究.航空学报,2000,21(1):87~89Zhou Chungen,Xu Huibin,Gong Shengkai,et al.Cyclic oxidationbehavior of TiAl and surface modification.Acta Aeronautica etAstronautica Sinica,2000,21(1):87~89(in Chinese)
<3>Yamaguchi
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