Nb掺杂对Ti-Al合金化层抗高温氧化性能的影响

doi:10.11868/j.issn.1001-4381.2016.000748

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为提高钛合金TC4的抗高温氧化性能，采用激光表面合金化技术在钛合金表面制备不同Nb掺杂量的Ti-Al合金化层。采用X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）、箱式电阻炉等对合金化层的组织结构和高温氧化行为进行分析测试。结果表明，合金化层主要组成物相为TiAl以及少量的Ti₃Al相。Nb主要以置换溶质原子的形式固溶于合金化层中。合金化层组织均匀，与基体呈典型的冶金结合，在不含Nb的Ti-Al合金化层中发现大量的表层裂纹及少量的贯穿性裂纹，而在Nb掺杂的合金化层中未发现明显的宏观裂纹。合金化层在800℃保温1000h的氧化增重显著低于基体，表现出优异的抗高温氧化性能。相比而言，随着Al含量和Nb掺杂量的提高，合金化层的抗高温氧化能力也随之提高。Nb掺杂提高Ti-Al合金化层抗高温氧化性能的作用机理包括减少TiO₂中的空位缺陷、细化氧化物颗粒及促进Al₂O₃的形成。

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关键词 ：钛合金, Ti-Al合金化层, Nb掺杂, 抗高温氧化性能

Abstract：

Ti-Al alloyed coatings with different Nb doping contents were fabricated on TC4 titanium alloy by laser surface alloying to improve high temperature oxidation resistance of the alloy. Structures and high temperature oxidation behaviors of the alloyed coatings were analyzed and tested by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscope (SEM), energy dispersive spectrometer (EDS) and box-type resistance furnace. The results show that the alloyed coatings consist of TiAl and Ti₃Al, and no niobium compound are formed in Ti-Al-Nb alloyed coatings. The alloyed coatings are uniform and exhibit excellent metallurgical bonding with the substrates. A large amount of surface cracks and a few penetrating cracks are formed in Ti-Al alloyed coating without Nb doping, while no obvious cracks are formed in Ti-Al alloyed coating with Nb doping. The oxidation mass gains of all the alloyed coatings were significantly lower than those of the substrate. The alloyed coatings with Nb doping exhibit more excellent high temperature oxidation resistance due to the beneficial machanism of Nb doping. The mechanism of Nb doping on improving high temperature oxidation resistance of Ti-Al alloyed coatings includes reducing the defect concentration of TiO₂, refining oxide grains and promoting the formation of Al₂O₃.

Key words： titanium alloy Ti-Al alloyed coating Nb doping high temperature oxidation resistance

收稿日期: 2016-06-17 出版日期: 2017-02-23

中图分类号:

TG178

基金资助:山东省2016年重点研发计划项目(2016GGX102018)

通讯作者: 陈传忠 E-mail: czchen@sdu.edu.cn

作者简介: 陈传忠(1963-),男,教授,博士,主要从事金属材料表面改性研究,联系地址:山东省济南市经十路17923号山东大学材料科学与工程学院(250061),czchen@sdu.edu.cn

引用本文:

戴景杰, 张丰云, 王阿敏, 陈传忠, 翁飞. Nb掺杂对Ti-Al合金化层抗高温氧化性能的影响[J]. 材料工程, 2017, 45(2): 24-31.
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链接本文:

http://jme.biam.ac.cn/CN/10.11868/j.issn.1001-4381.2016.000748 或 http://jme.biam.ac.cn/CN/Y2017/V45/I2/24

Table 1 TC4钛合金的化学成分(质量分数/%)

Table 2 预置合金粉末比例及激光工艺参数

Fig.1 激光表面合金化层的XRD图谱

Fig.2 Ti-Al合金化层(a,b)、Ti-Al-Nb-1合金化层(c,d)和Ti-Al-Nb-2合金化层(e,f)截面SEM图 (a),(c),(e)宏观形貌；(b),(d),(f)涂层中部

Table 3 合金化层中部典型树枝晶的成分(原子分数/%)

Table 4 不同形貌氧化物的成分分析(原子分数/%)

Table 5 合金化层表面的元素含量(质量分数/%)

Fig.3 基体及合金化层在800℃氧化1000h后的表面XRD图谱

Fig.4 基体及合金化层在空气中800℃的氧化动力学曲线 (a)基体和合金化层；(b)合金化层

Fig.5 合金化层氧化膜表面SEM形貌图 (a)Ti-Al合金化层；(b)Ti-Al-Nb-1合金化层；(c)Ti-Al-Nb-2合金化层

Fig.6 合金化层氧化膜截面BSE形貌图和EDS分析图 (a)Ti-Al合金化层；(b)Ti-Al-Nb-1合金化层；(c)Ti-Al-Nb-2合金化层

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