● 摘要
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Cr、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。本文首先对TiAl-Cr(0-20at.%)合金在1173K大气中24小时的恒温氧化。结果表明：当Cr元素含量在0-8at.%之间时，形成的氧化膜厚度较厚，合金的抗氧化性能较差；随着Cr含量的继续增加，氧化膜厚度又依次减薄，当Cr元素含量达到15-20at.%时，氧化膜形成连续致密的Al2O3保护膜，TiAl合金的高温抗氧化性能得到改善，此时 Cr对抗氧化性能的贡献可归结于一定量的Cr的加入提高了Al/Ti的活度比，从而降低了形成Al2O3膜所需的最低Al含量，促进了保护性Al2O3膜的形成。Cr在0-20at.%的添加过程中并没发现Cr的氧化物生成。本文又对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。当Si含量较多时，会形成大量的块状的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。本文还对TiAl-1Si-(1～5 at.%)，CrTiAl-3Si-(1～5 at.%)Cr和TiAl-5Si-(1～5 at.%)Cr在900℃大气中24h的恒温氧化行为进行研究。结果表明Cr、Si同时添加时，充分结合了两者的优点，使TiAl基合金表面更易形成保护性的氧化膜。Si的添加促进了氧化膜中Al2O3层的形成，Cr的添加提高了氧化膜的粘附性。在Cr和Si达到一定含量时，获得了具有良好的粘附性和抗氧或性能的氧化膜。