热-应力耦合作用下Ni-xCr合金高温氧化行为及氧化膜破裂再生机制

High temperature oxidation resistant is the main index for Ni-based high temperature alloy during service. Thereby, how to promote their high temperature oxidation resistant becomes the key scientific problem. The inevitable existence of external stress significantly affects the high temperature oxidation behavior of these alloys during service, especially affecting the growth of oxide scales and inducing the oxide scale spallation. Thus, the alloy oxidizes so fast that discard the alloy. Besides, the oxide scale microstructure of Ni-based alloy is very complex, therefore the oxidation kinetics law under external stress is ambiguous and the effect mechanism is unclear, thus deeply investigation needs to carry out. The project is to investigate the high temperature oxidation behaviors of Ni-xCr alloys under external stress. By measuring the oxide kinetics and analyzing the component, microstructures, morphologies, element distribution, the oxide nucleation, element diffusion and the re-growth behavior of oxide scales after spallation under thermal-stress coupling effect is deeply analyzed. Further, the law of oxidation kinetics under external stress is proposed. Finally, the relation between stress, temperature, Cr content and oxide scale type is established, through which the oxidation behavior and re-growth mechanism of oxide scale after spallation under external stress is proposed. The project is of great significance to application of Ni-based alloys used under complex stress and high temperature conditions and the design of novel high temperature resistant alloys.

抗高温氧化性是镍基高温合金最主要的服役指标，提高抗氧化性能是该合金研究的核心科学问题。合金构件服役所受应力对其高温氧化行为影响巨大，显著影响氧化膜生长或者直接破坏氧化膜完整性，造成合金加速氧化而报废。又镍基高温合金组成元素多、氧化膜结构复杂，存在应力下氧化动力学规律不明确、影响机制不清晰的现状，对其抗氧化性能造成了诸多不确定性，亟需深入研究。申请以镍基合金主要组元Ni-xCr为对象，研究其在施加应力下的高温氧化行为。通过测量氧化动力学曲线，分析氧化膜成分、结构、形貌及元素分布等，深入分析热-应力耦合下氧化物形核、元素扩散及氧化膜破裂后再生行为，阐明外应力对Ni-xCr合金氧化动力学的影响规律。最终通过应力、热、Cr含量及氧化膜结构等相关数据，揭示热-应力耦合下镍基合金高温氧化行为及氧化膜破裂再生机制。项目研究对提高镍基高温合金在复杂应力下的高温服役性能及设计新型抗氧化性合金具有重要意义。

镍基高温合金广泛应用于航天航空、核工业等领域，应力不可避免存在其使用环境，显著影响合金的氧化动力学、氧化膜的完整性。由于热-力耦合作用下合金氧化较复杂，影响机制存在不确定性，很难指导合金抗氧化指标的改善，因此热-力耦合作用下合金的抗高温氧化性能对合金的安全、长寿命使用具有重要的意义。项目以模型Ni-Cr二元合金为研究对象，开展了合金在应力作用下的高温氧化行为研究，深入分析了热-力耦合作用下合金的氧化动力学，发现应力对合金氧化产生促进作用，从氧化形核、短路扩散角度，揭示了应力对合金氧化动力学的影响机制。研究了Ni-Cr合金预氧化后在应力下的氧化行为，通过应力对离子空位扩散、活度的影响规律，明确应力对完整氧化膜继续生长的影响机制。采用氧化膜预制裂纹，并进行应力下的高温氧化行为研究，探索了应力对氧化膜再生的影响规律，通过分析不同Cr含量的Ni-Cr合金预制裂纹的愈合现象，发现高Cr合金发生裂纹愈合现象，并以快速生长的纳米柱NiO愈合裂纹。.执行期间共发表论文8篇，其中SCI论文2篇，参加国际会议6次，发表会议论文6篇，已被EI检索3篇，申请专利5项，已授权3项，培养毕业硕士生2名。