论文摘要：Nb、Si合金化对TiAl基合金高温抗氧化性能的影响

TiAl合金具有高的比强度、比刚度以及良好的耐高温蠕变性等优点，作为轻型高温结构材料倍受航空航天以及汽车工业的青睐。但该合金的抗高温氧化性能不足成为制约其在工业领域中应用的重要因素之一。本论文采用固定Ti和Al的比例，研究了合金化对TiAl基合金高温氧化性能的影响，探讨了Nb、Si两种元素对TiAl基合金高温氧化的作用机理，为进一步研究开发TiAl基合金提供指导。首先对TiAl-(0~20 at.%)Si合金900℃大气中24h的恒温氧化行为进行研究。实验结果表明随着Si含量的增加，氧化膜厚度依次减薄，氧化膜最外层由TiO2为主向以Al2O3为主过渡。分析表明，Si对抗氧化性能的贡献可归结于Si与Ti有很好的亲和力，可以有效地降低Ti离子的活度、阻碍Ti离子的向外扩散, 相对来说增强了Al离子的活度，促进连续致密的Al2O3保护膜生成，改善TiAl合金的抗氧化性能。Si的添加会使合金中生成Ti5Si3相；当Si含量较少时，基体组织为γ-TiAl相和细小弥散分布的Ti5Si3相，随着Si含量的增加，所生成的Ti5Si3相也逐渐增多，体积也随之增大。当Si含量较多时，会形成大量的块状Ti5Si3相。Ti5Si3相的高温抗氧化性较差，氧化后表面生成粗大的TiO2颗粒。大量的Ti5Si3相的生成会对基体的高温抗氧化性能产生不利的影响。本文又对TiAl-5Nb-(1～5 at.%)Si和TiAl-10Nb-(1～5 at.%)Si在900℃大气中24h的恒温氧化行为进行研究。结果表明同时添加Nb、Si可使TiAl基合金表面更易形成保护性的氧化膜从而具有更好的高温抗氧化性。其中Si的作用可归结于Si与Ti有很好的亲和力，提高了Al/Ti活性比，增大了氧化过程中Al2O3的择优形成能力，提高了合金的抗氧化性能。Nb提高TiAl基合金高温抗氧化性的作用主要源于两个方面：一是Nb5+的高价掺杂作用；二是所添加的Nb对氧化过程中所形成的TiN所起的稳定作用。同时Nb元素的添加对Ti5Si3相的生成有抑制作用，有利于合金抗氧化性的提高。