稀土复合添加提高镍基高温合金抗氧化性能的机理研究

Ni-base superalloy is one of the key materials used for military and civil aero engine. The addition of rare earth elements can significantly improve the oxidation performance of Ni-base superalloys. However it is still not clear how rare earth elements influence the oxidation behaviour of Ni-base superalloys; and especially when more than one rare earth elements are added, the mechanism of increasing anti-oxidation property is plausible. Therefore in the present proposed project, the Ni-(Cr-Al)-(Y-La-Ce) system is to be studied. It is to compare the effects of additions of one or two different elements Y, La, Ce on the cyclic oxidation kinetics of the Ni-Cr-Al alloy, including the formation of different types of oxides and the corresponding formation velocity. Also the adherence of the oxides on the alloy substrate is to be investigated. Additionally the phase equilibria of Y-La and Y-Ce systems are to be determined, as well as the phase relationship at elevated temperatures during the cyclic oxidation experiments (especially the secondary phases which can affect adherence of oxides). Based on the experimental information and CALPHAD approach （CALculation of PHAse Diagram）, more comprehensive thermodynamic database of the Ni-(Cr-Al)-(Y-La-Ce) system is to be established. Taking into account the results of thermodynamics and oxidation kinetics, it is to propose explicit and rational mechanism of the influence of multiple rare earth elements addition on oxidation behaviour of Ni-base superalloys. The present project can provide useful information for design of Ni-base superalloys.

镍基高温合金是制造军用/民用飞机发动机最重要的高温结构材料之一，在镍基高温合金中添加一定量的稀土元素可以大幅提高合金抗氧化等性能。然而，稀土元素抗氧化的机理存在诸多争议，特别是复合添加多种稀土元素时，合金抗氧化性能提高的机理尚不明确。因此，本项目拟以Ni-(Cr-Al)-(Y-La-Ce)体系为研究对象，对比研究单独以及复合添加稀土元素Y、La、Ce对Ni-Cr-Al合金循环氧化中的氧化动力学（包括氧化物形成的种类、形成速度等）及氧化层附着性的影响；同时测定Y-La、Y-Ce体系相平衡，以及循环氧化过程中高温下的相关系（特别是对氧化层附着性有重要影响的第二相），利用相图计算技术进一步完善Ni-(Cr-Al)-(Y-La-Ce)体系热力学数据库；结合热力学计算与氧化动力学分析，揭示复合添加多种微量稀土元素对镍基高温合金抗氧化性能影响的机理，为镍基高温合金设计提供重要的理论指导与实践参考。

镍基高温合金是制造军用/民用飞机发动机最重要的高温结构材料之一，在镍基高温合金中添加一定量的稀土元素可以大幅提高合金抗氧化等性能。本项目以Ni-(Cr-Al)-(Y-La-Ce)体系为对象，使用CALPHAD方法，对Ni-Al-La、Ni-Al-Ce、Ni-Al-Y三元体系进行热力学评估，重新评估了6个边际二元系，考虑了稀土元素在fcc固溶体中的溶解度，优化了23个三元化合物，获得了一组自洽的热力学参数，建立了Ni-(Cr-Al)-(Y-La-Ce)体系热力学数据库，可作为多组元镍基合金热力学数据库的组成部分。添加0.1%不同种类的稀土元素（Y、La、Ce、Y+La、Y+Ce和La+Ce）于Ni-10Cr-5Al（wt.%）合金中，研究了该7组合金在不同温度（900、1000、1100、1200 ℃）的恒温氧化及循环氧化行为，并基于热力学分析了氧化过程的动力学，采用扫描电子显微镜、X射线衍射等手段研究了合金表面形貌、氧化物的种类以及元素含量分布演化等，分析稀土元素对合金氧化膜生长速率及粘附性的影响规律，发现添加稀土元素使得暂态氧化阶段更短，稳态氧化阶段的氧化速率降低，亦可减少表面氧化层的剥落，达到增强合金的高温抗氧化能力的效果，复合添加稀土元素对高温抗氧化性能的影响机制不同，添加Y+La时因Y的加入阻碍了NiO的形成，生成保护性Al2O3层，而复合添加Y+Ce及La+Ce时合金表面氧化膜中无CeO2生成，促使θ-Al2O3更薄且紧密连续，降低合金的氧化速率。本研究为镍基高温合金设计提供重要的理论指导与实验参考。