PDF《γ-TiAl 合金在高温熔盐环境下的腐蚀机理》

第20 卷第

11 期 中国有色金属学报

2010 年11 月Vol.

20 No.11 The Chinese Journal of Nonferrous Metals Nov.

2010 文章编号:1004-0609(2010)11-2130-06 γ-TiAl 合金在高温熔盐环境下的腐蚀机理 徐博文, 赵文月, 马岳, 宫声凯 (北京航空航天大学 特种功能材料与薄膜技术北京市重点实验室,北京 100191) 摘要:在800 ℃、75%Na2SO4 和25%NaCl 的熔融盐环境中,对名义成分为 Ti-48Al-2Cr-2Nb 的γ-TiAl 合金进行 高温腐蚀实验. 通过氧化动力学分析、 扫描电镜观察及 X 射线衍射分析, 研究全片层 γ-TiAl 合金的氧化腐蚀行为, 以及高温腐蚀性环境对合金内部微观组织的选择性腐蚀机理.结果表明:在高温熔融盐腐蚀环境下,γ-TiAl 合金 主要形成由 TiO2 和Al2O3 组成的氧化膜层,且高温熔融盐环境对合金内部微观组织存在明显的选择性腐蚀,即腐 蚀路径沿 α2 与γ两相界面进入合金内部,并优先腐蚀 α2 相片层及 γ 相片层中的某些亚结构.合金片层组织中 α2 相与 γ 相间的抗氧化性能差异,以及熔融盐腐蚀性环境参与氧化中间反应并加速合金氧化过程是发生选择性腐蚀 的主要原因. 关键词:γ-TiAl 合金;

高温腐蚀;

显微组织 中图分类号:TG172.6 文献标志码:A Corrosion mechanism of γ-TiAl alloy at high temperature in molten salt environment XU Bo-wen, ZHAO Wen-yue, MA Yue, GONG Sheng-kai (Beijing Key Laboratory for Advanced Functional Materials and Thin Film Technology, Beihang University, Beijing 100191,China) Abstract: The high temperature corrosion tests of Ti-48Al-2Cr-2Nb γ-TiAl alloy were carried out with salt mixture of 75% Na2SO4 and 25% NaCl (mass fraction) at

800 ℃. The high temperature corrosion behavior of the alloy and the selective corrosion mechanism of microstructure were also discussed, via oxidation kinetics analysis, scanning electron microscope observation and X-ray diffraction analysis. The results show that the oxide layer mainly composed of TiO2 and Al2O3 is formed during high temperature corrosion. The corrosion path initiates at the lamellar interfaces, and α2 phases as well as some substructures in γ phase have priorities of corrosion in molten salt environment, which proves the existence of the selective corrosion of lamellar structure. The difference in oxidation resistance between the two phases and the participation of molten salts in intermediate reaction, which accelerates the oxidation process, are considered as the main reasons of selective corrosion of microstructure in the alloy. Key words: γ-TiAl;

high temperature corrosion;

microstructure TiAl 基金属间化合物因其低密度,高比强以及优 异的高温力学性能而成为制造航空发动机的重要候选 材料[1?3] .然而,当TiAl 基金属间化合物作为航空发 动机材料在近海地区服役时,所发生的高温腐蚀过程 将影响其服役行为.这是由于海洋大气中的氯化钠进 入发动机后,在高温下易与燃油中的硫反应生成硫酸 钠, 并在合金表面上形成硫酸钠与氯化钠的混合盐膜, 从而导致合金发生的高温腐蚀.到目前为止,国内外 对于 Ti-Al 系合金在高温腐蚀环境下的氧化行为已进 行了较为深入的研究[4?19] .其中,曾潮流等[4?6] 的研究 基金项目:国家自然科学基金重点资助项目(50731001) 收稿日期:2010-00-08;

修订日期:2010-01-08 通信作者:宫声凯,教授,博士;

电话:010-82339003;

E-Mail: [email protected] 第20 卷第

11 期 徐博文,等:γ-TiAl 合金高温熔盐环境下的腐蚀机理

2131 发现, Ti3Al基金属间化合物在800 ℃的熔融NaCl-(Na, K)2SO4 体系中,材料表面没有形成单一的 Al2O3 保护 层,而是形成多层结构的腐蚀氧化膜层.YAO 等[7] 的 研究结果也表明,高温条件下 NaCl 气氛的存在明显 加速了 γ-TiAl 合金的氧化过程.尽管如此,关于高温 腐蚀环境对 γ-TiAl 基合金内部微观组织影响方面的研 究却并不多见.通常高温结构材料的热腐蚀行为除受 其所处外部环境的影响外,还强烈依赖于材料的晶粒 大小和取向、表面状态以及内部微观组织[20] .本文作 者通过在

800 ℃、75%Na2SO4+25%NaCl 熔融盐环境 中,对名义成分为 Ti-48Al-2Cr-2Nb 的γ-TiAl 基合金 进行高温腐蚀实验,着重研究全片层 γ-TiAl 基合金的 氧化腐蚀行为以及熔融盐气氛对合金内部微观组织的 选择性腐蚀机理.

1 实验 1.1 原材料和试样的制备 实验采用名义成分为 Ti-48Al-2Cr-2Nb 的γ-TiAl 合金. 合金材料由真空磁悬浮感应炉熔炼, 后经(1

280 ℃,

175 MPa,

3 h)的热等静压及(900 ℃,

12 h)的均匀化 退火处理消除组织缺陷和不均匀性.其微观组织如图

1 所示,为γ相和 α2 相片层相间形成的全片层组织. 高温腐蚀实验所用试样尺寸为

10 mm*8 mm*1 mm, 经砂纸打磨并抛光后,在丙酮中进行超声清洗. 图1Ti-48Al-2Cr-2Nb 原始微观组织 Fig.1 Original microstructure of Ti-48Al-2Cr-2Nb alloy 1.2 高温腐蚀实验与高温氧化实验 Ti-48Al-2Cr-2Nb 合金的高温腐蚀实验在自行搭 建的高温腐蚀实验系统中完成.如图

2 所示,该系统 构成主要由带有两个独立控温单元的高温管式炉和密 闭的石英玻璃管组成,实验过程中石英管Ⅰ部内放入 混合盐,石英管Ⅱ部内放入试样,并向石英管中通入 空气.通过控制炉Ⅰ的温度可调节石英管Ⅰ部中熔融 盐的饱和蒸气压,结合调节空气通入的流速可进一步 控制腐蚀气氛中熔融盐的浓度,混合均匀的腐蚀气氛 将由通入的空气从石英管Ⅰ部带入石英管Ⅱ部,从而 保证试样区域腐蚀性气氛的均匀性和稳定性.试样的 腐蚀环境温度则由炉Ⅱ控制. 图2高温腐蚀实验系统示意图 Fig.2 Schematic diagram of high temperature corrosion testing system 高温腐蚀实验在

800 ℃的75%Na2SO4+ 25%NaCl 的混合熔融盐中进行,每隔一定时间取出试样,自然 冷却至室温后用精度达 10?5 g 的精密天平测量试样增 重,根据不同时长高温腐蚀后试样的单位面积质量变 化绘制氧化动力学曲线.同时,还在

800 ℃下对相同 状态的合金试样进行了高温氧化实验,与高温腐蚀试 样进行对比.高温腐蚀实验后,采用扫描电镜(SEM) 观察高温腐蚀试样的表面形貌, 并采用能谱(EDS)与X射线衍射仪(XRD)相结合的方法分析表面氧化腐蚀膜 层的组成与结构;

高温熔融盐对合金内部微观组织的 选择性腐蚀路径则通过对高温腐蚀试样截面的 SEM 微观形貌观察进行研究.

2 结果与讨论 2.1 高温腐蚀氧化动力学测试结果与分析 在800 ℃的75%Na2SO4 +25%NaCl 混合熔融盐中 对γ-TiAl 合金进行高温腐蚀实验,并在同一温度下进 行了高温氧化实验.通过测量和计算绘制上述两种环 境下合金的氧化动力学曲线(见图 3), 并进行了分析比 较.结果显示,在高温空气环境及熔融盐腐蚀性环境 下,合金的氧化动力学曲线均基本符合直线型变化规 律,........