活性元素对高温合金氧化机制的影响

大量研究证实添加微量的活性元素可以降低高温合金氧化速率、改善氧化膜粘附性。但定量地描述活性元素对整个氧化膜生长过程中元素扩散机制的影响、了解活性元素作用有效性的影响因素对于活性元素的合理利用更加重要。本申请通过在典型高温合金中添加适量La、Ce、Dy、Pr等活性元素，研究活性元素对合金组织的影响，以合金相变热力学为基础建立相应的界面模型，深入分析活性元素发生合金化的作用本质。以热力学和动力学为基础提出更加符合实验现象的氧化模型和氧化机理。重点研究活性元素对氧化膜生长过程中元素扩散机制的影响，定量表征Al、O等元素通过氧化膜的扩散行为，力求达到深入解释活性元素对合金高温氧化行为的影响机制。进一步阐明影响活性元素有效性的因素（如原子半径、化合价态等），尤其是多种活性元素的协同效应，为有效利用活性元素改善耐热材料的抗氧化性能提供依据。

本项目以CoNiCrAl合金为研究对象，设计了多种活性元素添加方案，以提高合金的抗高温氧化性能为主要内容，系统研究了此系列合金的微观组织、循环氧化性能及等温氧化性能。还通过软件计算的方法研究了合金中元素的扩散及富集机理。.为了探讨活性元素对CoNiCrAl合金高温氧化性能的影响，设计了8种单独掺杂活性元素及8种混合掺杂活性元素的新型高温合金，并对其等温氧化性能和循环氧化性能进行了研究。结果发现，单独掺杂及混合掺杂活性元素均能提高合金抗高温氧化的性能。单独掺杂时，化合价对活性元素的有效性影响不大，离子尺寸的影响比较大。对于同族活性元素元素，离子尺寸与氧化物生长速度成反比，与氧化膜/基体界面结合力成正比。.为了探讨活性元素之间的相互作用，对混合掺杂合金进行了氧化实验，结果发现：混合掺杂的效果与单独掺杂时的效果及合金添加量有关。两种单独掺杂时性能均较好的活性元素混合掺杂时的效果也较好，但如果其中有一种活性元素单独掺杂时效果较差，则混合掺杂时需要严格控制添加量，才有可能到达提高合金高温氧化性能的作用。. 在两种纯度有区别的Co32Ni21Cr10Al3.5ReY合金中发现了两种不同的Cr和Re元素的富集方式。在氧化过程中，纯度较高的合金在基体/氧化层界面处形成了一层富Cr和Re的层，而纯度较高的合金则在界面附近形成了富Cr和Re的析出物。通过建立扩散热力学模型，发现这是由于，随着Al在氧化过程中的消耗，Cr和Re的化学势逐渐降低，进而向界面处扩散造成了富集。在这两种合金中形成了不同的物相，纯度较高的合金中的组织为γ、β、α 和σ相，纯度稍低的合金中的组织为γ、β和σ相，没有观测到α相。