合金元素復(fù)合化對(duì)Ti2AlNb合金高溫抗氧化性能影響

張明達(dá)，劉英颯，鄭 真，曹京霞，黃 旭

(中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095)

Ti2AlNb合金是在Ti3Al合金研究的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一類(lèi)Ti-Al-Nb基金屬間化合物。1988年，Banerjee等在對(duì)Ti-25Al-12.5Nb合金進(jìn)行β相區(qū)淬火+時(shí)效處理時(shí)發(fā)現(xiàn)具有正交結(jié)構(gòu)的Orthorhombic相(O相)，通過(guò)對(duì)O相形成和演變規(guī)律及其對(duì)力學(xué)性能影響的系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)含有O相的中等Nb含量(α2+O+B2)三相Ti3Al合金以及高Nb含量的Ti2AlNb合金具有良好的綜合力學(xué)性能。Ti2AlNb合金密度約為5.0～5.5 g/cm3，長(zhǎng)時(shí)使用溫度可達(dá)650～700 ℃，由于其所具有的良好工藝性能、高屈服強(qiáng)度和高蠕變抗力等特點(diǎn)，是目前新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)選高溫結(jié)構(gòu)材料之一。Ti2AlNb合金的應(yīng)用將對(duì)減輕航空飛行器質(zhì)量、提高燃油效率并提高安全服役性能產(chǎn)生明顯作用。

現(xiàn)階段關(guān)于Ti2AlNb合金的研究工作主要涉及合金成分設(shè)計(jì)、微觀組織調(diào)控、綜合力學(xué)性能優(yōu)化和服役條件評(píng)估預(yù)測(cè)等方面，通過(guò)包括合金成分優(yōu)化[1-5]、制備工藝設(shè)計(jì)[6-8]、微觀組織調(diào)控[9-11]等方面的系統(tǒng)研究，Ti2AlNb合金的綜合力學(xué)性能得到進(jìn)一步發(fā)展和優(yōu)化。通過(guò)對(duì)大量Ti2AlNb合金的綜合性能數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，目前限制Ti2AlNb合金廣泛應(yīng)用的主要因素包括其高溫抗氧化性能有待優(yōu)化和高溫抗蠕變性能有待進(jìn)一步提升。已有研究顯示，現(xiàn)有Ti2AlNb合金中較高的Nb含量引起700 ℃以上抗氧化性能存在不足[12-13]。因此，在進(jìn)一步推進(jìn)含有較高Nb含量的Ti2AlNb合金的實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，如何保持合金良好力學(xué)性能的同時(shí)提升其高溫抗氧化性能十分重要。盧斌等[14]深入分析了Si元素對(duì)Ti2AlNb合金高溫抗氧化性能，認(rèn)為添加Si元素可以增大表面氧化膜TiO2和Al2O3的致密度，進(jìn)而提高O相合金的抗氧化性能。錢(qián)余海等[15-16]也得到類(lèi)似的結(jié)論。Dang等[17-18]對(duì)比了不同Nb和Zr含量Ti2AlNb合金抗氧化性能，結(jié)果顯示Zr合金元素明顯提高Ti2AlNb合金的抗氧化性能。Ralison等[19]系統(tǒng)研究了O相合金在550～1000 ℃范圍的氧化行為，從氧化增重、近表面硬度、氧化物結(jié)構(gòu)等角度討論Ti2AlNb合金高溫氧化行為規(guī)律及其內(nèi)在機(jī)制。已有研究成果中關(guān)于Ti2AlNb合金的抗氧化研究工作更多涉及主要合金體系配合其他少量合金元素的抗氧化性能優(yōu)化，分別對(duì)Nb，Zr，Si等合金元素對(duì)抗氧化性能影響進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估，目前圍繞Ti2AlNb合金多元合金化及其對(duì)抗氧化性能影響的研究工作相對(duì)較少，需要在綜合考慮強(qiáng)度、塑性、密度等性能的基礎(chǔ)上，開(kāi)展多元合金化合金元素對(duì)抗氧化性能的系統(tǒng)評(píng)價(jià)研究工作。

本工作結(jié)合Ti2AlNb已有合金成分優(yōu)化高溫抗氧化性能的研究工作，在Ti-Al-Nb合金體系中采用多種合金元素復(fù)合的方法，討論Zr，Mo和W合金元素的協(xié)同作用對(duì)Ti2AlNb合金氧化行為影響，探索提高抗氧化性能和綜合力學(xué)性能的新型Ti2AlNb合金成分設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

本工作所用材料在Ti-(20～22)Al-(20～23)Nb (原子分?jǐn)?shù)/%，下同)合金基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)0%～2%范圍不同Mo，Zr，W含量的Ti2AlNb合金鑄錠，分為中高Nb 23%和中Nb 20%兩個(gè)合金系列，共13個(gè)成分規(guī)格。鑄錠通過(guò)小規(guī)格電子束真空熔煉爐制備，冶煉前準(zhǔn)備主要原材料包括海綿鈦、海綿鋯、含鈮合金、含鎢合金、含鉬合金、純鋁箔等，通過(guò)關(guān)鍵合金元素中間合金的添加量控制目標(biāo)合金成分含量，制備紐扣錠的質(zhì)量約為150～200 g，能譜測(cè)試實(shí)測(cè)成分如表1所示。顯微組織為鑄態(tài)樹(shù)枝晶狀組織，根據(jù)鑄錠實(shí)際形狀，選取組織和成分均勻區(qū)域1/2半徑且1/2高度位置線(xiàn)切割20 mm × 10 mm × 1.5 mm片狀氧化實(shí)驗(yàn)試樣，進(jìn)行表面機(jī)械打磨處理，表面粗糙度Ra按照0.63～1.25 μm控制。氧化實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行丙酮超聲波清洗去除表面油污和雜質(zhì)。

表1 Ti2AlNb材料合金成分能譜測(cè)試結(jié)果Table 1 Composition EDS test results of experimental Ti2AlNb alloys

高溫氧化實(shí)驗(yàn)使用箱式熱處理爐，提前對(duì)氧化鋁坩堝進(jìn)行超過(guò)氧化實(shí)驗(yàn)溫度的預(yù)熱處理使其達(dá)到恒重要求，預(yù)先稱(chēng)量并記錄坩堝和樣品的原始質(zhì)量。對(duì)兩個(gè)批次13個(gè)成分規(guī)格的試片分別進(jìn)行750 ℃和850 ℃不同時(shí)間的氧化實(shí)驗(yàn)，分別在氧化累計(jì)時(shí)間達(dá)到1，4，7，10，20，30，40，50，75 h和100 h時(shí)取出并連同坩堝稱(chēng)取總質(zhì)量，得到氧化增重?cái)?shù)據(jù)并繪制曲線(xiàn)。氧化實(shí)驗(yàn)后的試片制備微觀組織剖面試樣并進(jìn)行Kroll試劑(2%HF和10%HNO3水溶液，體積分?jǐn)?shù))腐蝕形貌特征，使用光學(xué)顯微鏡(OM)、X射線(xiàn)衍射(XRD)、場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM)和能譜(EDAX)等分析氧化層顯微結(jié)構(gòu)特征、合金成分分布、氧化物種類(lèi)等。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 Ti2AlNb合金高溫氧化增重行為

在750 ℃和850 ℃高溫氧化實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，試片表面發(fā)生氧化顏色逐步轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，出現(xiàn)由初始白亮金屬光澤向淡藍(lán)色、銅褐色、暗灰色逐漸過(guò)渡轉(zhuǎn)變過(guò)程，少量樣品部分表面出現(xiàn)易脫落灰白色粉末狀氧化物。850 ℃高溫氧化比750 ℃更快發(fā)生顏色演變過(guò)程。圖1所示為不同Mo和W合金元素含量試片的氧化增重曲線(xiàn)。氧化增重結(jié)果顯示，含有少量W合金元素時(shí)，0.70%的Mo含量可引起Ti2AlNb合金氧化增重的少量降低，起到較弱提升抗氧化性作用，如圖1(a)所示。而對(duì)于幾乎不含W合金元素條件下，1.98%的Mo含量引起Ti2AlNb合金在850 ℃氧化增重的急劇增加，顯示出高M(jìn)o含量對(duì)抗氧化性能在高溫條件下的不利影響，如圖1(b)所示。橫向?qū)Ρ炔煌琖含量試片的氧化增重結(jié)果，W表現(xiàn)出較弱的促進(jìn)氧化行為。

圖1 不同Mo和W含量Ti2AlNb合金750 ℃和850 ℃氧化增重曲線(xiàn)(a)相似W含量不同Mo含量1#和2#對(duì)比；(b)幾乎不含W不同Mo含量3#和4#對(duì)比Fig.1 Mass gain vs time curves for isothermal oxidation of Ti2AlNb alloy with different Mo and W contents at 750 ℃ and 850 ℃(a)different Mo contents with similar W content:1# and 2#;(b)different Mo contents with almost no W:3# and 4#

圖2所示為不同Zr和W合金元素含量試片的氧化增重曲線(xiàn)，幾乎不含W不同Zr含量試片的氧化增重結(jié)果顯示，不同Zr含量試片在750 ℃的氧化增重程度相近，850 ℃時(shí)較高的Zr含量明顯抑制高溫氧化行為，如圖2(a)所示。圖2(b)為不同W含量氧化增重對(duì)比示意圖，850 ℃氧化過(guò)程中，不含Zr合金元素時(shí)，W含量由1.18%增加至2.16%引起氧化增重的增加；在約1.1%Zr的作用下，不同W含量引起氧化增重行為的差別被縮小，并且W和Zr同時(shí)存在時(shí)W未表現(xiàn)出對(duì)抗氧化性能的不利影響。

圖2 不同Zr和W含量Ti2AlNb合金750 ℃和850 ℃氧化增重曲線(xiàn)(a)幾乎不含W不同Zr含量5#,6#和7#對(duì)比；(b)不含Zr和含Zr不同W含量8#,9#,10#,11#,12#和13#對(duì)比Fig.2 Mass gain vs time curves for isothermal oxidation of Ti2AlNb alloy with different Zr and W contents at 750 ℃ and 850 ℃(a)different Zr contents with almost no W:5#,6# and 7#;(b)different W contents with and without Zr:8#,9#,10#,11#,12# and 13#

氧化增重實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示本研究設(shè)計(jì)的大部分Ti2AlNb合金在750 ℃均具有良好的抗氧化性能，氧化增重程度較低，850 ℃由于合金成分的差別其氧化增重程度差別較大。

2.2 Ti2AlNb合金氧化層特征形貌

經(jīng)過(guò)750 ℃和850 ℃氧化100 h后試片的剖面可見(jiàn)層狀氧化層結(jié)構(gòu)特征，750 ℃氧化層結(jié)構(gòu)(以10#樣品為例)如圖3(a)所示，850 ℃氧化層結(jié)構(gòu)(以8#樣品為例)如圖3(b)所示。分析結(jié)果顯示，750 ℃氧化實(shí)驗(yàn)形成氧化層較薄，氧化層總厚度一般為數(shù)微米，850 ℃氧化層厚度則明顯增加。層狀氧化層結(jié)構(gòu)根據(jù)其掃描電鏡下的形貌特征差別可細(xì)分為氧化物層、富氧擴(kuò)散層和組織演變層，850 ℃氧化實(shí)驗(yàn)引起氧化層特征明顯，各氧化特征層厚度尺寸在數(shù)微米到十余微米。750 ℃下氧化層總厚度較小，但其氧化層結(jié)構(gòu)種類(lèi)和排列次序與850 ℃高溫氧化時(shí)一致。圖3(b)更清晰顯示出850 ℃氧化試樣氧化層最外側(cè)結(jié)構(gòu)為疏松的氧化物層，二次電子成像顯示外表面薄層高亮度，內(nèi)部多孔隙且存在大小不均勻白色點(diǎn)狀物，部分存在層狀結(jié)構(gòu)特征。氧化物層內(nèi)側(cè)連接致密的富氧擴(kuò)散層，在腐蝕劑腐蝕后仍呈現(xiàn)較為均勻平整的表面狀態(tài)，內(nèi)部模糊可見(jiàn)基體特征組織。富氧擴(kuò)散層內(nèi)側(cè)連接產(chǎn)生明顯微觀組織重構(gòu)的組織演變層，組織演變層與原始基體組織存在明顯差別，呈現(xiàn)粗化的層片狀多相組織，顯示出自富氧擴(kuò)散層界面處引發(fā)的微觀組織重構(gòu)特征，在靠近基體前沿顯示出波浪狀侵入形貌。

圖3 Ti2AlNb合金氧化層截面SEM形貌 (a)750 ℃，10#；(b)850 ℃，8#Fig.3 SEM morphology of cross-sections of oxide scales for Ti2AlNb alloy (a)750 ℃,10#;(b)850 ℃,8#

2.3 Ti2AlNb合金氧化層氧化物種類(lèi)分析

經(jīng)過(guò)750 ℃和850 ℃條件下100 h氧化實(shí)驗(yàn)后試片的表面XRD測(cè)試結(jié)果如圖4所示，不超過(guò)2%范圍Mo，Zr，W合金元素含量對(duì)Ti2AlNb合金的高溫氧化物種類(lèi)影響未見(jiàn)明顯差別。Ti2AlNb合金高溫氧化產(chǎn)物主要為鈦和鈮的氧化物，鈦的氧化物包括TiO2，TiO，Ti3O(Ti6O)等，鈮的氧化物包括NbO2，NbO等。此外，氧化物中還存在復(fù)合氧化物TiNbO4和鋁的氧化物Al2O3。由于部分氧化物的XRD曲線(xiàn)特征峰存在相鄰和重疊，準(zhǔn)確判斷氧化物種類(lèi)存在較大難度。750 ℃高溫氧化XRD曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)TiO2，TiO，Ti3O(Ti6O)，NbO2和NbO的特征峰特征較為明顯，根據(jù)峰值高度判斷主要氧化物包括TiO2和NbO；850 ℃高溫氧化XRD曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)TiO2，TiO，Ti3O(Ti6O)，Al2O3和NbO的特征峰特征較為明顯，根據(jù)峰值高度判斷主要氧化物包括Al2O3，TiO2，NbO，Ti3O(Ti6O)。

圖4 Ti2AlNb合金經(jīng)不同溫度高溫氧化后表面氧化物X射線(xiàn)衍射譜 (a)750 ℃；(b)850 ℃Fig.4 XRD spectra of surface oxides of Ti2AlNb alloy after high temperature oxidation process at different temperatures (a)750 ℃;(b)850 ℃

2.4 Ti2AlNb合金氧化層成分分布分析

經(jīng)過(guò)750 ℃和850 ℃下100 h氧化實(shí)驗(yàn)后試片的氧化層剖面合金成分分布如圖5所示，主要合金元素中，Ti，Nb，Zr，Mo 4種合金元素含量自表面向基體顯示為逐漸增加的規(guī)律變化。在不同氧化層結(jié)構(gòu)界面處和組織演變層出現(xiàn)一定幅度的合金元素含量波動(dòng)變化，前者由界面處存在氧化物向微觀組織結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變引起，后者由于粗大微觀組織中不同相組成的成分差別引起。遠(yuǎn)離氧化層的基體區(qū)域不同合金元素含量保持相對(duì)均勻和穩(wěn)定分布。

圖5 相似Zr含量不同W含量Ti2AlNb合金850 ℃氧化層SEM形貌及能譜線(xiàn)掃描結(jié)果 (a)10#；(b)11#；(c)12#;(d)13#Fig.5 SEM images and EDS line scan results of the oxide layer for Ti2AlNb alloys with similar Zr contents and different W contents isothermally oxidized at 850 ℃ (a)10#;(b)11#;(c)12#;(d)13#

氧化層剖面中Al元素和O元素的分布存在特殊的分布特征。氧化物層外側(cè)表面存在Al含量的較高峰值，在氧化物層內(nèi)部急劇降低，并形成較大范圍的貧Al區(qū)域，在靠近富氧擴(kuò)散層和組織演變層附近再次升高，并在組織演變層和臨近基體附近形成較寬的富Al區(qū)域，隨著遠(yuǎn)離試樣表面逐漸趨于穩(wěn)定值。O元素在氧化物層濃度最高，在富氧擴(kuò)散層呈現(xiàn)單調(diào)下降變化，并在達(dá)到組織演變層前降至最低值。

結(jié)合氧化物分析結(jié)果顯示，氧化層中外表面薄層富Al層應(yīng)為Al2O3，而氧化層中內(nèi)側(cè)較厚的貧Al帶一般主要由TiO2，NbO2，TiO，NbO和TiNbO4等氧化物組成。富氧擴(kuò)散層內(nèi)沒(méi)有氧化物形成特征，顯示為模糊可見(jiàn)Ti2AlNb的基體特征組織，富氧擴(kuò)散層中Al元素和O元素存在自表面向內(nèi)部的單調(diào)增加和降低變化，這表明在高溫氧化過(guò)程中這兩種合金元素在Ti2AlNb基體存在擴(kuò)散和滲入行為。O元素濃度在組織演變層附近達(dá)到與基體相同的最低值。

3 分析與討論

Ti2AlNb合金在750 ℃和850 ℃高溫氧化增重行為和氧化層結(jié)構(gòu)分析結(jié)果顯示，在750 ℃和850 ℃時(shí)合金均保持良好的抗氧化性能，大部分Ti2AlNb合金符合標(biāo)準(zhǔn)HB 5258-2000中完全抗氧化性能評(píng)級(jí)。兩個(gè)溫度條件下的氧化增重變化曲線(xiàn)均為近似拋物線(xiàn)增長(zhǎng)，在高溫氧化實(shí)驗(yàn)初期氧化增重幅度較大，隨著氧化實(shí)驗(yàn)時(shí)間的增加，氧化增重程度逐漸減弱。不同于750 ℃相對(duì)緩慢并且相似的氧化增重變化和薄層氧化層結(jié)構(gòu)，850 ℃高溫氧化時(shí)，不同合金成分的Ti2AlNb合金的氧化增重差別明顯，部分合金成分Ti2AlNb合金氧化增重變化幅度和氧化層結(jié)構(gòu)尺寸明顯增大，在100 h內(nèi)顯示出接近線(xiàn)性的快速增長(zhǎng)變化趨勢(shì)。

研究結(jié)果顯示Ti2AlNb合金的抗氧化性能與合金在高溫條件下的Al元素和O元素?cái)U(kuò)散行為密切相關(guān)。高溫條件下，O元素通過(guò)表面向材料內(nèi)部基體滲入擴(kuò)散，與合金基體的Ti，Nb，Al等合金元素形成氧化物。Ti，Nb等合金元素未顯示出明顯的擴(kuò)散遷移行為，在原位與氧結(jié)合形成包括TiO2，NbO2，TiO，NbO和TiNbO4等氧化物。Al合金元素顯示出明顯的擴(kuò)散和聚集行為，以氧化物層和氧滲入層界面附近為中心分別向氧化物層外表面和組織轉(zhuǎn)變層內(nèi)部富集：表面富鋁層與氧結(jié)合易形成致密含鋁氧化物層，可以有效阻礙后續(xù)氧元素向基體的滲入擴(kuò)散，進(jìn)而提高Ti2AlNb合金的抗氧化性能；組織轉(zhuǎn)變層中的Al元素富集形成局部Al合金元素成分起伏，同時(shí)伴隨微觀組織的轉(zhuǎn)變和粗化過(guò)程，易成為O元素的滲入擴(kuò)散通道，對(duì)Ti2AlNb合金的抗氧化性能可能產(chǎn)生不利影響。因此，提高Ti2AlNb合金中的Al含量使其在合金表面富集形成致密氧化膜可以有效地阻礙O元素的滲入擴(kuò)散，進(jìn)而提高抗氧化性能。此外，減弱Al合金元素向內(nèi)部的擴(kuò)散行為并減弱組織演變層的形成有助于進(jìn)一步降低已擴(kuò)散進(jìn)入基體的O元素含量，進(jìn)而延緩氧化物的進(jìn)一步形成，有助于提高抗氧化性能。其他合金元素對(duì)抗氧化性能的影響主要通過(guò)后者發(fā)揮作用，即控制Al元素和O元素的擴(kuò)散行為，來(lái)影響Ti2AlNb合金的抗氧化能力，其影響作用的程度和差別可以通過(guò)氧化層結(jié)構(gòu)的表面厚度體現(xiàn)出來(lái)。

不同溫度高溫氧化層結(jié)構(gòu)分布相同，均由氧化物層、富氧擴(kuò)散層和組織演變層組成，由于不同合金成分試片的氧化程度不同，各氧化層及總氧化層厚度有所差別。不同合金成分Ti2AlNb合金850 ℃高溫氧化100 h氧化層的各特征層厚度(5個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)平均值)結(jié)果如圖6所示。圖6(a)，(b)結(jié)果顯示含W時(shí)Mo合金元素主要引起氧化物層增厚，而幾乎不含W時(shí)，高含量Mo合金元素引起包括氧化物層、富氧擴(kuò)散層和組織演變層的同時(shí)增厚行為。顯示出W合金元素對(duì)高溫氧化過(guò)程中富氧擴(kuò)散層和組織演變層形成的抑制作用， Mo合金元素的增加同時(shí)促進(jìn)Ti2AlNb合金中多種氧化層結(jié)構(gòu)的形成。圖6(c)結(jié)果顯示幾乎不含W條件下，Zr合金元素含量增加引起氧化物層厚度明顯減小，同時(shí)富氧擴(kuò)散層和組織演變層也表現(xiàn)出厚度減小或穩(wěn)定趨勢(shì)，顯示出Zr合金元素對(duì)氧化物層和組織演變層的明顯抑制作用。在約1.1%Zr的作用下，隨著W含量增加，氧化物層、富氧擴(kuò)散層和組織演變層厚度均小幅降低，僅在W含量超過(guò)1.5%時(shí)氧化物層重新出現(xiàn)增加的變化。不同Zr含量約0.6%W和1.1%W的氧化物層、富氧擴(kuò)散層和組織演變層厚度變化一致，如圖6(d)中9#→8#和10#→11#所示，兩者的變化幅度對(duì)比說(shuō)明Zr合金元素可以有效降低W合金元素含量引起高溫氧化行為的差別。

圖6 不同Mo,Zr和W含量Ti2AlNb合金850 ℃氧化層(氧化物層、富氧擴(kuò)散層、組織演變層和總計(jì))厚度變化示意圖(a)含W不同Mo含量1#和2#；(b)幾乎不含W不同Mo含量3#和4#；(c)幾乎不含W不同Zr含量5#, 6#和7#；(d)不含Zr和含Zr不同W含量8#,9#,10#,11#,12#和13#Fig.6 Variation of layer thickness (oxidation layer,oxygen enrich layer,interstital affected layer and total) for Ti2AlNb alloys with different Mo,Zr and W contents isothermally oxidized at 850 ℃(a)different Mo contents with similar W content:1# and 2#;(b)different Mo contents with almost no W:3# and 4#;(c)different Zr contents with almost no W:5#,6#and 7#;(d)different W contents with and without Zr:8#,9#,10#,11#,12# and 13#

不同合金元素及其組合對(duì)抗氧化性能的影響有所差別，主要通過(guò)對(duì)不同氧化特征層的抑制作用影響抗氧化性能。Mo合金元素在750 ℃顯示出較弱的提高抗氧化性作用，但是在850 ℃更高溫度時(shí)高M(jìn)o含量明顯降低Ti2AlNb合金的抗氧化性能。Mo和W組合時(shí)，W合金元素對(duì)整體抗氧化性能表現(xiàn)出較弱促進(jìn)作用，同時(shí)僅表現(xiàn)出對(duì)富氧擴(kuò)散層和組織演變層形成的較弱抑制作用。Zr合金元素始終顯示出顯著提高合金抗氧化性能，750 ℃未顯示出抗氧化性的明顯差別，850 ℃時(shí)隨著Zr含量的增加，其抗氧化性明顯增強(qiáng)，氧化層厚度結(jié)果顯示Zr合金元素主要抑制氧化物層和組織演變層的形成。較高含量W合金元素引起氧化物層厚度的增加，引起Ti2AlNb合金氧化增重的增加。Zr和W組合時(shí)，不同W合金元素含量整體表現(xiàn)為對(duì)組織演變層形成的抑制作用較為明顯，高含量W合金元素對(duì)抗氧化性能的促進(jìn)作用也被充分抑制。從850 ℃氧化實(shí)驗(yàn)的氧化層結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律可得，Mo合金元素未顯示出對(duì)氧化物層、富氧擴(kuò)散層和組織演變層的抑制作用，Zr合金元素主要抑制氧化物層和組織演變層的形成，而W合金元素主要體現(xiàn)在對(duì)富氧擴(kuò)散層和組織演變層形成的抑制作用。Zr和W合金元素同時(shí)存在時(shí)的補(bǔ)充和疊加作用可以同時(shí)抑制Ti2AlNb合金高溫氧化過(guò)程中的氧化物層、富氧擴(kuò)散層和組織演變層。從提高Ti2AlNb合金在750 ℃以上的高溫抗氧化性能的設(shè)計(jì)角度，新型Ti2AlNb合金在Ti-Al-Nb-Mn-Zr-W合金體系中應(yīng)適當(dāng)降低Mo含量，同時(shí)使用Zr和W合金元素組合的方法進(jìn)行合金成分設(shè)計(jì)，可以充分發(fā)揮不同合金元素對(duì)抗氧化性能的機(jī)制作用。

4 結(jié)論

(1)Ti2AlNb合金氧化增重結(jié)果顯示，不同于750 ℃下的較弱氧化增重現(xiàn)象及其較小差別，在850 ℃下不同合金元素成分的抗氧化性能差別明顯。Mo合金元素僅在750 ℃表現(xiàn)出弱的抗氧化行為，在850 ℃時(shí)高含量Mo合金元素明顯降低Ti2AlNb合金的抗氧化性能；Zr合金元素在750 ℃未顯示出抗氧化性能的明顯差別，在更高溫度850 ℃時(shí)，高含量Zr合金元素明顯提高Ti2AlNb合金的抗氧化性能；W合金元素在850 ℃時(shí)對(duì)Ti2AlNb合金的抗氧化性能有較弱的不利影響。

(2)高溫氧化過(guò)程中，試樣表面自外向內(nèi)依次形成氧化物層、富氧擴(kuò)散層和組織演變層等多種特征結(jié)構(gòu)；氧化物分析結(jié)果顯示TiO2和NbO為主要的高溫氧化物；合金成分分布結(jié)果顯示Al合金元素在氧化物層外表面的富集和組織演變層的起伏，O元素顯示出氧化物層的高濃度特征和富氧擴(kuò)散層的由外向內(nèi)的濃度單調(diào)降低變化規(guī)律。Ti2AlNb合金的高溫氧化行為與合金的Al元素和O元素高溫?cái)U(kuò)散行為密切相關(guān)。

(3)Zr，Mo和W等合金元素主要通過(guò)影響Al元素和O元素的擴(kuò)散行為對(duì)Ti2AlNb合金的抗氧化性能發(fā)揮作用。Mo合金元素僅在750 ℃顯示出較弱的提高抗氧化性作用，在更高溫度850 ℃未顯示出對(duì)氧化物層、富氧擴(kuò)散層和組織演變層的明顯抑制作用，Zr合金元素主要抑制氧化物層和組織演變層的形成，而W合金元素主要體現(xiàn)在對(duì)富氧擴(kuò)散層和組織演變層形成的抑制作用。Zr和W合金元素同時(shí)存在時(shí)的補(bǔ)充和疊加作用可以抑制Ti2AlNb合金高溫氧化過(guò)程中的氧化物層、富氧擴(kuò)散層和組織演變層的形成。

(4)對(duì)不同Mo，Zr和W合金元素含量Ti2AlNb合金抗氧化行為的研究結(jié)果顯示，由于不同合金元素對(duì)抗氧化影響的作用機(jī)理和差異，可以通過(guò)復(fù)合化多種合金元素的方法優(yōu)化Ti2AlNb合金的抗氧化性能。適當(dāng)減少M(fèi)o合金元素并進(jìn)行特定比例的Zr和W合金元素添加進(jìn)行含有Mo，Zr和W合金元素新型Ti2AlNb合金體系成分設(shè)計(jì)有助于優(yōu)化其抗氧化性能。