Y.TIAI基金属间化合物合金具有密度低、比强度和比刚度好、高温蠕变及高温疲劳性能良好等特点,被认为是一种极具应用前景的新型轻质高温结构侯选材料之一,特别是对未来航空航天、汽车、机车发动机及工业燃汽轮机等极具吸引力卜l’]。表1为Y.五月基合金与肠3AI基合金、常规钦合金和Ni基高温合金的性能比较。可以看出,Y~肠AI基合金在弹性模量和抗蠕变、抗氧化性能优于钦合金和肠夕犯基合金,而与镍基超合金相当,但它的密度还不到镍基合金的一半。因为Y.Ti川基合金具有以上的一系列性育狱势,所以它的开发和应用必将引起高温合金材料的变革并推动航空航天事业的发展。
但是,作为结构材料,在工业实际中应用的主要障碍是其严重的室温脆性!巧一101。同时,作为高温结构材料,在实际应用中还会遇到高温氧化问题,研究表明,当rnAI合金使用温度高于850oC时,其抗氧化能力迅速阳氏[l7-151,而且当飞、川合金用作高温磨擦磨损运动副零部件(如蜗轮发动机和压气机转轴、燃汽轮机压气机叶片、汽车、机车发动机排气阀等关键零部件)时,还必须解决其耐磨性差[0,瑜〕(如耐粘着磨损、冲蚀磨损、微动磨损、磨料磨损、氧化磨损等的能力低)的问题。
室温脆性是Y~T分u合金走向实际应用必须首先解决的问题。在提高室温脆性方面,近年来国内外材料科学工作者从合金优化设计、加工制备工艺、显微组织控制、力学行为、形变与强化机制、断裂与韧化机制、缺陷结构与性能等方面均作了大量的研究,并取得了很大的进展,已成功的开发出以Ti~径下礴9)at.%Al为基的多种合金,在强度改善的同时,室温延伸率达到了3.5%,断裂韧性和抗蠕变胜能也有提高[6],使,riAI合金逐步走向实用。
其高温(>850Oc)抗氧化性能铡氏是阻碍Y门riAI走向实际应用的第二个障碍。水晶滴胶研究结果表明,Y.Ti月基合金在高温下(>850oC)氧化时,它的氧化层具有两层结构。夕崛主要为脆性疏松的Ti仇,内层由Ti仇和川203的混合物组成侧。由于不能形成一层具有高尉急定且致密的八儿03保护膜,所以Y~Ti月基合金在850oC以上的高温下表现出较差的抗氧化能力。肠Al合金是一种有潜力的新型高温结构材料,因此,高温抗氧化性是其投入实际应用前必须解决的关键问题之一。
高温抗氧化吐能的提高依赖于氧化层的形态,包括连续性及致密性。若添加一些元素,可加速从几层的形成,就能提高其高温抗氧化性。由于氧化层的增长速率取决于实际加工过程及后续热处理工艺,所以显微组织对TIAI基合金高温抗氧化性能的影响也是相当大的。改善肠Al基合金表面状态也为提高其高温抗氧化性能提供了一条途径。在提高丫.五川基合金的高温抗氧化险能方面,近年来国内外也作了许多工作并取得一定进展,主要的措施是对肠Al合金进行合金化和表面改性。
在合金化研究方面,利用Si元素对Y.Ti月基合金进行合金化,可以改善其抗氧化性能四。加入si,高温氧化过程中能形成siq,与从03层一起作为氧化的屏障。Si在较低温度下更有效,高于900℃时,加入Si不能改善其抗氧化性能。加入w和Mo等元素对Y了riAI基合金进行合金化,阳氏了氧在合金中的溶解度,从而抑制了合金的内氧化,并且改善了内部氧化层中川203的结构,使其形成了相互连接的网状结构四。有关以C:和V作为合金元素对下Al合金进行合金化对其高温抗氧化性能的影响,取决于测试温度和加入量,当Cr的加入量低于4at.%时,对抗氧化性能不利,但是当其加入量大于8at.%时,则可提高其抗氧化性能四。
有研究结果表明,以Sb元素对两元Ti48AI(at.%)合金进行合金化,可以改善其高温抗氧化性能。实验结果表明,加入o.15at.%Sb显著改善了其高温抗氧化性能,其高温抗氧化性能优于Ti一48AI一ZCr一ZNb合金四。
还有研究结果表明,以Nb作为合金元素对Y门Ti川基合金进行合金化和表面改性,可以有效提高其抗氧化性能阳l]。目前有关Nb改善护1’iAl合金抗氧化性能的原因有以下几种解释:认为Nb能促进时目的稳定性,提高Al的扩散速率,从而阳氏了从03由内氧化到外氧化转变的临界值N穿,进而可促进保护性川203膜的生成;相对于合金中的Ti来说,Nb增加了Al的活度,因此促进了富川203氧化层的形成;合金中氧化层下Nb的富集,www.sanyexin.com可作为一个障碍,使金属或氧的传递过程减慢;Ti仇点阵中确孙离子的掺杂,咧氏了氧空位和Ti间隙离子的数目;降低了合金中氧的溶解性;NbZ几、川203和Tiq一起形成混合的氧化物,作为不混溶氧化物的粘结剂,能形成更牢固的氧化层,阻碍了快速扩散的途径阳11。但对上述几种论点有不同的争论,有关添加Nb的抗氧化机理仍需要进一步详细的研究和确凿的实验证据。
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