TiAl基合金在动态气氛下的高温氧化机理研究

Improvement of the high-temperature oxidation resistance of titanium aluminide (TiAl) based alloys is one of the key problems to be solved urgently. It is important to clarify the high-temperature oxidation mechanisms, especially for the composition design and oxidation protection of TiAl-based alloys. The high-temperature oxidation process of TiAl-based alloys is thereby investigated from the following issues: the initial oxidation, steady-state oxidation, and inner oxidation. We will identify oxidation mechanisms of different stages in a TiAl-based alloy through the initial oxide scale. High-temperature steady-state oxide scale is analyzed layer by layer and three-dimensional (3D) reconstruction via serial block-face scanning electron microscopy (SBFSEM). The composition, phase components and elements distribution of the inner oxidation is studied via focused ion beam (FIB), electron probe microanalysis (EPMA), along with density functional theory (DFT) calculations. The aim of the present project is to investigate the high-temperature oxidation mechanisms with the combination among the initial oxidation, steady-state oxidation, and inner oxidation, and set up the high-temperature oxidation evaluation methods of TiAl-based alloys under the dynamic atmosphere.

提高TiAl基合金高温抗氧化性能是其应用亟待解决的关键问题，阐明TiAl基合金高温氧化机理对于TiAl基合金成分设计、氧化防护具有重要现实意义。本项目提出从初期氧化、稳态氧化和内氧化三个方面分析TiAl基合金在动态气氛下高温氧化过程。通过初期氧化膜分析TiAl基合金高温氧化不同阶段的氧化机理；采用三维扫描重构技术分层解析并重构高温稳态氧化膜三维结构；采用FIB切取内氧化物，结合密度泛函理论，分析内氧化成分、相组成等，并采用EPMA测试氧化膜附近合金基体的元素分布，分析氧化膜的形成对基体合金的影响。本项目通过将初期氧化、稳态氧化和内氧化结合起来，分析氧化条件对TiAl基合金的高温氧化过程的影响，阐明TiAl基合金动态气氛下的高温氧化机理，建立TiAl基合金动态气氛下的高温氧化评价方法。

作为先进超音速飞行器发动机和燃气轮机用高温结构材料，TiAl、Ti2AlNb基合金抗氧化性能是基本的考虑因素。提高TiAl、Ti2AlNb基合金高温抗氧化性是其应用亟待解决的关键问题。项目针对Ti-44Al-4Nb-1.5Cr-0.1Mo-0.1B-0.1Y、Ti-44Al-4Nb-1.5Cr-0.5Mo-0.1B-0.1Y (at.%) 合金，以及Ti-22Al-23(Nb,Mo,V,Si) (at.%)合金，采用XRD、XPS、SEM、EPMA、FIB、TKD、TEM、STEM等技术，结合理论计算，阐释合金高温氧化动力学机理。项目从初期氧化、稳态氧化和内氧化三个方面分析TiAl、Ti2AlNb基合金在静态/动态氧化气氛下高温氧化过程。采用FIB切取氧化物，结合理论计算，分析氧化物、相组成等，采用EPMA测试氧化膜附近合金基体的元素分布。通过初期氧化、稳态氧化和内氧化结合起来，分析氧化条件对合金的高温氧化过程的影响，揭示动态氧化气氛加速了合金的氧化过程，阐明合金在动态氧化气氛下的高温氧化机理，建立了合金动态氧化气氛下的高温氧化评价方法。