Ti-6Al-7Nb和Ti-6Al-4V钛合金的高温氧化研究

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通过不同的热氧化条件,对比两种钛合金在空气气氛下表面氧化层的生长规律和性质。利用XPS表面测试方法对合金氧化层最外层(1-5 nm)的化学组分和合金元素的价态进行分析,探讨氧化层的形成机理及合金添加元素对氧化层的重要影响。

Ø 热氧化的温度和时间对氧化层的厚度和致密度有重要影响:

(1) 通常随温度的升高和时间的延长,氧化层的厚度增加,但致密度下降。

(2) 从氧化增重曲线可知,相同条件Ti-6Al-7Nb表面形成的氧化层更薄,致密度更好,与基体的结合力更强。

(3) 在800℃及以下温度氧化时,Ti-6Al-7Nb遵循抛物线氧化动力学规律,而Ti-6Al-4V在700℃氧化超过36h时其表面氧化速率由直线氧化动力学规律主导

Ø 表面硬度测试表明:

(1) 表面硬度值随加载载荷增加而下降,氧化层对合金有明显的硬化效应,

(2) 硬化效果随着氧化温度的升高和氧化时间的延长而明显增强。

(3) Ti-6Al-4V表面硬化效果略强于Ti-6Al-7Nb,但是900℃氧化时,Ti-6Al-4V合金的表面硬度反而有所下降

(4) 二者的表面硬度最大值都是在600℃氧化72h时获得"

Ø 通过XRD对1h氧化的合金氧化层的相组成进行分析:

(1) 发现两种合金的表面氧化层主要是由金红石型TiO2组成,

(2) 不同的是Ti-6Al-4V合金在600℃氧化时表面出现了锐钛矿型TiO2,而在900℃氧化时则出现了Al2O3相

(3) 两种合金在800℃氧化24h时,Al2O3均出现在氧化层中,

(4) 随着氧化温度的提高和氧化时间的延长,两种合金的氧化层都由金红石型TiO2和Al2O3两相组成

Ø XPS对外层氧化层(1-5 nm)分析表明:

(1) Ti、Al、Nb均是以最高价态存在,V除了最高价态外,还有4价V(稳态)出现

(2) Al元素由于拥有最低的氧化还原电势,具有优先氧化性,并主要覆盖在氧化层的最外层

(3) Nb元素有降低氧化层中金属离子扩散速率的作用,其本身并不能改变氧化机制,但可以使氧化层更具保护性

(4) V元素在高温时氧化严重,并形成低熔点氧化物,在温度较高时会发生恶性氧化,极大地降低了Ti-6Al-4V合金在高于700℃时氧化层的抗氧化能力

(市场赵-编译整理)


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