随着航空发动机功率和热效率的不断提升,要求涡轮叶片等部件的表面服役温度越来越高。苛刻的服役环境使得高温氧化成为零部件失效的主要因素之一,从而引发灾难性后果。定向凝固镍基高温合金作为航空发动机关键部位的材料,对其高温氧化行为的研究变得至关重要。一方面,镍基合金的表面增重动力学与氧化膜增厚动力学之间的关系亟需阐明;另一方面,氧化膜结构受多种因素的影响,如表面状态、温度和合金元素等,而不同条件下的氧化膜结构、形貌演化与氧化增重动力学之间的关系尚不清晰,需要进一步揭示。本文通过对国产定向凝固镍基高温合金DZ125和DD6在不同条件下的氧化动力学与氧化膜结构的研究,阐明了表面增重动力学与氧化膜增厚动力学之间的关系;揭示了合金在不同条件下的氧化膜生长机制;建立了氧化增重动力学与氧化膜结构及氧化膜形貌演化之间的关系。具体内容如下:(1)通过对DD6和DZ125合金氧化动力学行为的研究:发现表面增重动力学与氧化膜增厚动力学展现出相似的行为特征,两者之间呈现良好的吻合性。Ra=0.6～0.7 μm时,两种合金的氧化动力学均没有出现分阶段现象,氧化反应指数n≈0.2,遵循渐近水平线生长规律。Ra=0～0.1μm、Ra=0.1～0.2μm和Ra=0.3～0.4μm时,两种合金的氧化动力学均出现分阶段现象,同时两种合金第一阶段和第二阶段的增重反应指数n呈现较大的差异。其中,DD6和DZ125合金氧化动力学第一阶段分别遵循立方生长规律(n≈0.3)和抛物线生长规律(n≈0.5);第二阶段两种合金均遵循渐近水平线生长规律(n≈0.1～0.2)。(2)通过对两种合金的氧化膜结构与氧化动力学的作用规律分析,提出了两种氧化模式:单层氧化膜结构且氧化增重动力学不分阶段的行为称之为Ⅰ型生长模式(Type ⅠGrowth Mode);多层氧化膜结构且氧化增重动力学分阶段的行为称之为Ⅱ型生长模式(Type Ⅱ Growth Mode))。揭示了 Ⅱ型生长模式表面增重动力学分阶段的现象是由于不同氧化层的生长速率差异造成的,第一阶段的表面增重是由外层氧化膜与内层氧化膜生长决定的,而第二阶段的表面增重是由中间层氧化膜生长控制的。(3)通过对Ⅰ型生长模式和Ⅱ型生长模式两种合金短时和长时的氧化膜形貌、元素分布和物相结构的研究:表明Ⅰ型生长模式DD6和DZ125合金的氧化膜均主要是由连续Al2O3组成;Ⅱ型生长模式两种合金的氧化膜均由多相组成。其中,短时氧化膜DD6合金从外表层到基体分别是由NiO、Ni(Co)Cr2O4、Ta2O5不连续α-Al2O3组成;DZ125合金从外表层到基体分别是由Cr2O3、未氧化区域、Ta2O5和不连续α-Al2O3组成。长时氧化膜DD6合金从外表层到基体分别是由NiO、CoAl2O4、CoCr2O4、Ta2O5和连续α-Al2O3组成;DZ125合金从外表层到基体分别是由NiO、NiCr2O4、CoCr2O4、Ta2O5和连续α-Al2O3组成。(4)通过对合金氧化膜产物的形成条件的分析:阐明了合金早期氧化膜产物的形成条件,高粗糙度表面优先生成Al2O3,是氧化行为遵循Ⅰ型生长模式的必要条件;而两种合金溶质元素Cr含量的差异是造成Ⅱ型生长模式初始氧化物产物之间存在较大不同的充分条件。揭示了表面粗糙度对多元镍基合金Al2O3发生外氧化的临界浓度的影响,高的粗糙度表面上短路扩散的促进作用导致临界浓度线逐渐向低Al浓度方向偏移,而温度对浓度临界线的作用相对较小。(5)通过对合金氧化膜的分布特征演化分析表明:Ⅰ型生长模式DD6合金的氧化膜形貌分布特征为不连续的球状Ta2O5相随机掺杂在Al2O3膜的中间位置,DZ125合金为HfO2随机掺杂在Al2O3膜的下方位置;Ⅱ型生长模式DZ125合金外表层短时Cr2O3随着氧化时间的增加,逐渐被NiO取代覆盖,中间层由未氧化区域和Ta2O5转变为一系列的复杂尖晶石相。发现合金的氧化膜形貌演化是与无析出相区域的元素富集和贫化行为相关的:Ⅱ型模式无析出相区域内Co、Cr溶质的富集程度随着氧化时间的延长而逐渐增加,促进中间层氧化膜的生长。(6)通过对两种合金的氧化膜生长机制分析表明:氧化膜演化与氧化速率常数k的分布特征呈现良好的对应性,Ⅰ型生长模式氧化膜为连续致密的Al2O3,k分布在Al2O3附近,同理Ⅱ型生长模式遵循相似的规律。发现合金的表面增重动力学特征与氧化膜生长机制密切相关,且与Al2O3的形貌有着直接关系:当Al2O3呈现连续时,合金的氧化膜生长机制均是由金属阳离子通过Al2O3的扩散为主导,氧化反应指数n=0.1～0.2;当Al2O3非连续,且外层氧化膜不致密时,合金的氧化机制为金属阳离子和阴离子的双向扩散控制氧化物的生长,合金的氧化反应指数n≈0.3;当Al2O3不连续,但是外层氧化膜致密时,合金的氧化机制为金属阳离子通过外层扩散为主导,此时n≈0.5。