航空航天用典型高温合金高温氧化行为研究

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高温合金作为航空航天的首选材料,在现代航空工业的发展中有着十分重要的位置。航空用合金的使用要求是在高温服役条件下形成稳定且具有保护性的氧化物,且要求该氧化物能阻止合金进一步氧化。因此,十分必要开展航空航天部件用关键材料镍基高温合金和高铌高温合金的高温氧化行为与抗氧化性能研究,为合金在更高温度下的应用提供可靠保障。本论文通过实验室模拟合金在实际服役过程中的温度和气氛环境,表征在不同氧化条件下合金的物相、硬度、质量和粗糙度变化规律,构建两类合金的氧化行为特征,为合金的实际应用和深入研究提供重要的实验参数,其具体的研究内容如下:(1)研究了镍基高温合金的高温氧化行为,合金在700℃~1100℃空气环境下循环氧化10 h的过程中氧化层均未出现脱落现象,在1000℃以下合金属于完全抗氧化级别。氧化初期,局部氧化物主要为Cr2O3、Ni O,后期还会形成Ni Cr2O4、Si O2。在1000℃及以上时,Cr离子在Cr2O3层中的扩散速率增加,促进在表面形成连续致密Cr2O3氧化膜。随着氧化温度的升高,连续氧化层厚度由0.29μm增加到2.84μm。其硬度值约在215 HV~238 HV范围内波动。合金在1200℃空气环境下循环氧化1 h后,合金表面的氧化层已明显脱落,但依然可观察到连续氧化层厚度从28.38μm增长至82.89μm。氧化产物主要为Cr的氧化物及少量的Ni O和Si O2。氧化初期,其硬度值大幅度下降,但循环氧化时间增长至40 h后,合金表面形成了新的氧化物,并且存在大量硬度较高的Cr2O3,因此合金的硬度值开始缓慢回升。(2)研究了高铌高温合金在空气环境下的高温氧化行为,合金在600℃~800℃等时循环氧化与700℃等温循环氧化后,氧化层均未出现脱落,氧化初期形成的局部氧化物主要为Ti O2、Al2O3、Nb2O5、Al Nb O4等。随着氧化温度的升高,截面氧化层厚度由0.24μm逐渐增加到0.78μm,变化趋势与单位面积增重量一致。合金氧化后表面整体硬度略高于基体,在378.66 HV~407.25 HV范围内波动变化。700℃循环氧化后10h~110 h,氧化层厚度从0.31μm增长至1.42μm。在动力学上,单位面积增重量遵循抛物线变化规律,氧化速率常数为Kp=6.6877×10-4(mg~2·cm-4·h-1),属于抗氧化级别。(3)研究了高铌高温合金在不同氧分压的高温氧化行为,合金在700℃不同氧分压环境下氧化50 h后形成的局部氧化物主要为Ti O2、Al2O3、Nb2O5、Al Nb O4等。随着氧分压的增加,表面粗糙度也随之增大;截面氧化层厚度从0.71μm逐渐增加到0.97μm;试样硬度并没有很大的变化,略比合金基体高。
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