Nb-TiAl合金氧化膜精细结构的电子显微学研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 鲁伟 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2007-06-01 |
| 授予单位 | 中国科学院金属研究所 |
| 授予地点 | 金属研究所 |
| 导师 | 贺连龙 |
| 关键词 | TiAl金属间化合物 Nb 高温氧化机理 氮化物 Al2O3 |
| 其他题名 | Electron Microscopy Study of Oxide Scale of Nb-TiAl alloys |
| 学位专业 | 材料物理与化学 |
| 中文摘要 | 纯TiAl金属间化合物在氧化的过程中形成TiO2＋Al2O3混合型氧化膜而不能生成具有保护性的Al2O3膜。而添加Nb、Mo、W等元素则可提高TiAl合金的抗氧化性，其中Nb不仅能显著提高其抗氧化性而且改善蠕变抗力及室温强度。前人对系列不同Nb含量的TiAl基合金氧化增重研究结果表明，Nb原子百分含量在20 at%以内都能对抗氧化性起到促进作用，且随Nb含量的增加氧化速率呈下降趋势。 本文选择了具有代表性的系列不同Nb添加量的TiAl基合金Ti-47Al-2Nb- 2Cr-0.15B (第二代TiAl合金)、Ti-46.5Al-5Nb (第三代TiAl合金)、Ti-45Al-8Nb-0.2W-0.2B-0.02Y (第四代TiAl合金)及Ti-45Al-15Nb (at %) 在900°C静态空气气氛下进行了不同阶段的等温氧化实验。综合运用EFTEM、EDS、EELS、SAED、HREM等手段，对TiAl基合金的初期氧化行为、Nb元素的分布特征及对TiAl抗氧化性的影响、氮化层中相结构的演变及氧化膜中亚稳态Al2O3相的相转变过程进行了系统的研究。 对TiAl基合金的初期氧化行为进行了研究，结果表明：Cr的加入会导致提前在过渡层中形成亚稳态X相及NbCr2相。当Nb的原子百分比加入在8 at%左右时可以促使Al2O3与富TiO2混合层的分层，在外层形成Al2O3膜，而Nb的加入量太低或太高时，在初期均未发生氧化膜的分层。当Nb的含量在15 at%时，初期氧化时没有形成氮化层。由于氮化物的PBR接近于1，所以形成的氮化层与基体结合性良好。而TiO2及Al2O3的PBR都大于1，所以在该层存在应力的集中，导致该层与下层之间形成明显的分界。随着氧化膜厚度的增加应力集中会不断升高，形成了强氧化膜弱界面结构，随着氧化时间的延长在这两层之间存在破裂的趋势。初期氧化时基体合金吸氧并发生晶粒细化，使晶界的体积分数增加，同时基体内部存在大量位错及晶格畸变。 添加合金元素的TiAl的氧化在不同的氧化时间总是存在氧化膜及过渡层。氧化膜中的各层随合金成分及氧化时间的变化而演变；过渡层的相组成较为复杂，随添加元素及氧化时间的改变也发生变化。研究了添加元素Nb对TiAl基合金抗氧化性的作用，结果表明：TiAl合金中添加Nb元素对抗氧化性起作用原因之一是由于 +5价的Nb离子在富TiO2层的掺杂，对减缓阴阳离子在富TiO2层的传输、促进富Al2O3层的形成起到作用。而 +3价的Cr所起作用与Nb相反。添加元素Nb会在过渡层重新反应形成Nb的化合物，所形成的化合物对阻止X相在过渡层中的连续形成起到作用，从而提高TiAl合金的抗氧化性。高铌TiAl合金在氧化过程中动力学曲线发生转折，这是由于转折点前后 所存在的扩散通道发生变化引起，这是该类合金内在特征的表现。 研究了氮化层中相的形成及转变机理，结果表明：TiN相与Ti2AlN相具有取向关系： (111) TiN // (0001) Ti2AlN, [0-11] TiN // [11-20] Ti2AlN 这种取向关系使得两相间的低指数方向及密排面保持严格平行，倒空间的重叠体积最大。TiN相在氧化膜与基体合金的界面处首先形成，而基体中Al元素的向外扩散降低了TiN相的堆跺层错能，从而在该相中形成大量的层错；Al的富集诱导TiN相向Ti2AlN相转变，使得在靠近基体方向形成Ti2AlN相。电子束的辐照能够提供能量使Ti2AlN相中的Ti-Al键断开，Ti-N间的重新组合形成非化学计量比的TiN相，Al在该相中富集。 对TiAl基合金氧化过程中Al2O3相的转变进行了研究，结果表明：TiAl基合金氧化过程中有亚稳态gamma-Al2O3相、theta-Al2O3相及kappa-Al2O3相形成，其中gamma-Al2O3相易于以孪晶形式存在而kappa-Al2O3相则具有120°三重旋转孪晶共存，不同的存在形式与其形成机理相关。TiAl基合金氧化与NiA和FeAl氧化过程中Al2O3相的转变过程相同，主要遵循以下两个路径： gamma-Al2O3->delta-Al2O3->theta-Al2O3->alpha-Al2O3 kappa-Al2O3->alpha-Al2O3 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2012-04-10 |
| 页码 | 148 |
| 源URL | [http://ir.imr.ac.cn/handle/321006/16926]  |
| 专题 | 金属研究所_中国科学院金属研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 鲁伟. Nb-TiAl合金氧化膜精细结构的电子显微学研究[D]. 金属研究所. 中国科学院金属研究所. 2007. |
入库方式： OAI收割
来源：金属研究所
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