多元合金化对TiAl金属间化合物合金高温氧化的影响及其机理

TiAl intermetallic compound alloy (referred to as TiAl alloy) are most promising material used as high temperature components in aerospace engines and so on. However, its poor oxidation resistance has become the bottleneck for its applications. Multiple alloying is one of the effective methods for improving the oxidation resistance of TiAl alloy. The whole oxidation process and the microstructures of surface and interface in multiple alloyed TiAl alloy will be investigated to reveal the rule of effect of multiple alloying on high temperature oxidation of TiAl alloy and to probe into its mechanism in the present study. The focus of the present study are: (1) to found the effect law of multiple alloying on the formation and growth of the oxide-film as well as its adhesion with matrix at high temperature; (2) to reveal the oxidation mechanism of TiAl alloy at high temperatures based on investigating the segregation of the additive elements at surface, interface and grain boundaries and their fuctions by the electronic theory and the modern analysis techniques. (3) to propose the design concept of TiAl alloy with excellent oxidation resistance at high temperatures. The major issues to be solved in the present study consist of the problem during calculating the complex structure such as interface etc. by the electronic theory and the problem which is how to determine the effect of additive elements on the interface adhesion by the modern analysis techniques, to reveal the innate character of effect of alloying elements on the oxidation of TiAl alloy from the microlevel based on obtaining the effect rule of multiple alloying on the oxidation of TiAl alloy at high temperature, and to establish a basis for development of TiAl alloy with high oxidation resistance.

TiAl金属间化合物合金（简称TiAl合金）是最有希望应用于航空发动机等高温部件的材料，但其抗氧化性能差成为其应用的瓶颈。多元合金化是改善TiAl合金抗氧化性的有效手段之一。本项目针对多元合金化TiAl合金高温氧化全过程、表面和界面微结构进行研究，揭示多元合金化对TiAl合金高温氧化影响的规律，并探讨其机理。重点研究：（1）多元合金化对TiAl合金高温氧化膜形成和生长及与基体粘附性的影响规律；（2）用电子理论和现代分析手段研究添加元素在表面、界面、晶界的偏聚及作用，揭示TiAl合金高温氧化机理；（3）提出具有优良高温抗氧化性TiAl合金的设计理念。项目着重解决电子理论计算界面等复杂结构时的问题和如何用现代分析手段确定添加元素对界面结合力影响的问题，在获得多元合金化对TiAl合金高温氧化影响规律基础上，从微观层次揭示合金元素对TiAl合金氧化影响本质，为研制高抗氧化性TiAl合金奠定基础。

γ-TiAl基合金具有密度低、熔点和高温比强度高等优异性能,在航空、汽车、能源等领域应用潜力巨大。然而, 它的高温抗氧化性能一直不能满足需要限制了它的应用。为此，项目组进行以下几方面研究：.1）应用第一原理方法研究了B，Hf, Y元素在TiAl合金表面的偏聚行为及对TiAl合金氧化膜生长的影响机理。研究发现B以间隙方式，Hf, Y以替位方式偏聚于γ-TiAl表面。B偏析降低了氧覆盖率，Y, Hf偏聚降低了O与表面的共价结合，这降低了γ-TiAl合金初始氧化速度，阻碍了氧化膜生长。.2）不同含量B元素对Ti45Al8Nb合金在900℃空气中抗氧化性实验结果表明，适量B的加入会抑制Ti的扩散，从而降低了TiO2的生长，促进Al2O3的生长，提高合金的抗氧化性。过量B加入，氧的内扩散通道增加，不利于改善合金的高温抗氧化性。实验发现含0.5 B合金抗氧化性最佳。.3） 研究合金元素对TiAl合金基体与氧化膜结合力影响机理。研究发现B倾向于占据Al2O3 / TiAl界面间隙位置。B添加量显着增加粘附功，从而提高了γ-TiAl合金氧化膜的抗剥离能力和抗循环氧化性。同时我们还发现Y, Hf不在Al2O3/ TiAl界面的偏聚，因此对氧化膜与基体的粘附性无影响。.4）用现代分析技术分析了高Nb-TiAl合金900℃ 经280h循环氧化后的氧化层截面，并得到各元素线扫描分布图。氧化层外层以钛氧化物为主，内层以铝氧化物为主。Al2O3层阻碍了氧元素的内扩散，减少界面的缺陷。在界面处，Nb元素增多，说明B促进了Nb的扩散和富集，形成Nb2O5，提高氧化层的粘附性。在含B的高NbTiAl合金氧化层与基体界面发现有B的偏聚。Nb，B元素的聚集使氧化层与基体界面粘附性良好。.5）、根据理论及实验研究成果，提出在高Nb合金中同时添加B，Y或B，Hf，将制备出高抗氧化性能TiAl合金。.6）此外，还在自然基金的资助下，开展了储氢材料储放氢机理的研究，FeCrAl合金高温氧化及可降解镁合金腐蚀机理的研究。.总之，合金化TiAl合金高温氧化的研究深入到了电子层次，得出了高温氧化的规律并揭示了物理机制，对提高TiAl合金高温氧化性能具有重要意义。