TC4合金抗高溫氧化性能研究

馮 浩，郭詩琪，李 寧，胡九洲，陸思萍，李涌泉

（1.北方民族大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，寧夏銀川750021；2.北方民族大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，寧夏銀川750021）

TC4合金具有密度低、比強(qiáng)度高、耐蝕性好、高溫力學(xué)性能良好等特點(diǎn)[1-2]，廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、能源電力、生物建材等領(lǐng)域[3]，如用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)上，能夠大幅度減輕發(fā)動(dòng)機(jī)重量，提高發(fā)動(dòng)機(jī)推重比[4-5]。

TC4合金長時(shí)間工作溫度可達(dá)350℃，在航空工業(yè)中主要用于制造發(fā)動(dòng)機(jī)低壓壓氣機(jī)和風(fēng)扇葉片，但是，作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片及其他關(guān)鍵零部件的高溫結(jié)構(gòu)材料，TC4合金的力學(xué)性能受到其高溫抗氧化性能的限制。

針對(duì)TC4合金抗高溫氧化性能進(jìn)行分析研究，對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)可靠性的評(píng)定、壽命預(yù)測(cè)及飛行器的安全設(shè)計(jì)具有重要意義[6]。因此本文對(duì)TC4鈦合金的抗高溫氧化性能進(jìn)行研究，分析其氧化失效機(jī)理。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)基體為TC4合金，商用TC4合金的化學(xué)成分為6.06Al-3.92V-0.30Fe-0.013C-0.014N-0.0014H-0.150-Ti bal at.%。

采用線切割從母合金中切取10 mm×10 mm×3 mm試樣，用#80-900SiC砂紙將試樣表面逐級(jí)打磨，于丙酮中超聲波清洗后，烘干備用。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

為研究TC4合金的抗高溫氧化性能，分析其氧化膜的生長破壞機(jī)制，對(duì)基體進(jìn)行900℃下不同時(shí)間的高溫氧化實(shí)驗(yàn)。先將剛玉坩堝在電爐中焙燒至恒重，放入試樣，為防止氧化膜脫落影響測(cè)量精度，稱重時(shí)連同坩堝一起稱量。采用SUPERSCAN SS-550型掃描電子顯微鏡（SEM）確定氧化膜的顯微組織；采用能譜儀（EDS）分析共滲層及氧化膜的化學(xué)成分；用飛利浦X′Pert-Pro型X射線衍射儀（Cu靶，40 kV）分析其相組成。

2 結(jié)果及討論

2.1 高溫氧化表面形貌

圖1給出了TC4合金900℃下氧化3 h的表面形貌及XRD圖譜。由圖1（a）可以看出，TC4合金的氧化膜由不規(guī)則的顆粒組成，結(jié)構(gòu)較為均勻連續(xù)，結(jié)合圖1（b）的XRD分析可知，該氧化膜主要由TiO2和TiO組成。

圖1 900℃高溫氧化3 h的表面形貌及XRD圖譜Fig.1 Surface morphology of TC4 after oxidation at 900℃for 3 h and XRD Patterns

圖2給出了TC4合金900℃下氧化20 h的表面形貌。由圖2可以看出，經(jīng)20 h高溫氧化后，TC4合金氧化膜由大量條狀顆粒組成，顆粒尺寸顯著增加，分析可知該氧化膜由TiO2顆粒組成。

圖2 TC4鈦合金900℃高溫氧化20 h的表面形貌Fig.2 Surface morphology of TC4 alloy after oxidation at 900℃for 20 h

2.2 高溫氧化截面形貌

圖3給出了TC4合金900℃氧化后的截面形貌。由圖3（a）和圖3（b）可以看出，TC4經(jīng)過900℃高溫氧化3 h、20 h后其氧化膜的厚度分別約為120 μm、310 μm，同時(shí)發(fā)現(xiàn)，TC4合金的氧化膜具有一定的粘附性，在氧化過程中膜層并未發(fā)生剝落，氧化膜結(jié)構(gòu)較完整（圖3（b）的膜層出現(xiàn)剝落是由于氧化膜較脆，在試樣制備過程中發(fā)生部分碎裂脫落），但由于該膜層結(jié)構(gòu)疏松，不能阻止氧進(jìn)入，因此氧化繼續(xù)進(jìn)行。

圖3 TC4合金900℃高溫氧化后的截面形貌Fig.3 Cross morphology of TC4 alloy after oxidation at 900℃

2.3 900℃氧化動(dòng)力學(xué)

圖4為TC4合金在900℃時(shí)的恒溫氧化動(dòng)力學(xué)曲線，可以看出，隨著氧化時(shí)間的增加，TC4合金氧化增重均呈線性增加，表明其氧化均符合拋物線規(guī)律，氧化膜的生長受擴(kuò)散所控制[7]。

圖4 TC4合金氧化動(dòng)力學(xué)曲線Fig.4 Oxidation kinetic curve of the TC4 alloy

2.4 氧化機(jī)理分析

氧化反應(yīng)大都發(fā)生在恒溫恒壓下，氧化物的形成次序與基體中各元素氧化物的穩(wěn)定性及其生成自由能的高低密切相關(guān)[8]。由于TC4合金的主要元素為Ti，Al，V及其他元素，含量較低，對(duì)氧化過程沒有顯著影響[9]，因此，TC4合金主要為Ti元素的氧化，生成的TiO2氧化膜依附在基體表面，但該氧化膜結(jié)構(gòu)疏松，氧能夠透過氧化膜進(jìn)入膜基界面，對(duì)基體產(chǎn)生持續(xù)氧化，因此隨著氧化時(shí)間的增加，氧化膜持續(xù)增厚。

3 結(jié)論

（1）TC4合金在900℃下氧化時(shí)，表面首先形成TiO2和TiO混合氧化膜，隨后轉(zhuǎn)變?yōu)閱我坏腡iO2氧化膜。

（2）TC4合金表面形成的氧化膜能粘附在基體表面，但不能阻止氧素的進(jìn)入，對(duì)基體沒有保護(hù)性。