GH2909鎳基合金在700℃的氧化行為標(biāo)準(zhǔn)
GH2909合金是以Fe-Ni-Co為基的低膨脹高溫合金，主要用于制造航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)機(jī)匣、渦輪隔熱環(huán)、燃燒室蜂窩環(huán)等零件。由于合金中不含Cr、Al,因此合金的抗氧化性能比一般含Cr高溫合金要低，并影響其使用壽命。為了改善GH2909合金的抗氧化性能，在合金中加入了稀土元素Y。本文主要研究添加稀土元素和未添加稀土元素其合金的氧化行為，以探討合金的氧化機(jī)制及稀土元素對提高合金氧化能力的作用。
1試驗(yàn)材料與方法
試驗(yàn)用料為GH2909合金小爐料（未加稀土元素)和GH2909合金大爐料（加入稀土元素ω(Y)0.02%)，合金成分見表1。兩爐合金分別加工成氧化試驗(yàn)試樣，在600℃分別進(jìn)行抗氧化試驗(yàn)，試驗(yàn)時間為100h、200h、300h、500h、1000h，測定不同時間的氧化增重。采用掃描電鏡進(jìn)行元素的面分布掃描;采用X射線分析氧化皮的結(jié)構(gòu)。
2試驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1氧化層形貌和元素分布
圖1、圖2分別顯示了兩爐合金在700℃,1000h后掃描電鏡下氧化層的形貌以及元素的面掃描分布。從氧化層形貌可以看出，兩爐合金的氧化層都分為兩層，外層為深灰色，是氧化產(chǎn)物﹔內(nèi)層為淺灰色，是擴(kuò)散層。大爐合金的外層較薄，約30μm，小爐合金的外層較厚，約為45μm;相反大爐合金的內(nèi)層較厚，約為90μm，小爐合金的內(nèi)層約50um。對比兩爐合金的氧化層形貌，大爐合金的氧化層與過渡層的接觸面不平整，從而增加了表面氧化層的附著力，同時使過渡層更加致密。元素的面掃描結(jié)果表明，外層主要含F(xiàn)e和O，貧Ni和Nb，Co元素富集于氧化外層的外表面上;淺灰色的內(nèi)層富Ni、Nb，貧Fe、Co。在含稀土元素的大爐合金中，Nb在內(nèi)層的含量較高。O的分布顯示，O主要富集在外層，且含量高于內(nèi)層。
2.2氧化層的X射線分析
采用X射線對兩爐合金的氧化外層和內(nèi)層進(jìn)行分析。對未處理的氧化層表面進(jìn)行分析見圖3?？梢钥闯?兩爐合金的外層產(chǎn)物基本相同,主要是CoFe2O4,Fe2O3和FeO。
2.3氧化動力學(xué)
測定了700℃下兩爐合金的氧化增重并計算出氧化速率，氧化增重和氧化速率與時間的關(guān)系分別見圖4、圖5。
在圖4中看出，合金在氧化前期其氧化增重均遵循拋物線規(guī)律，但500h后轉(zhuǎn)為直線關(guān)系，小爐合金的氧化增重比大爐合金要高。從圖5中可以看出，兩爐合金的起始氧化速率都比較高，隨后迅速下降，200h后趨于平緩。大爐合金在100h以前的氧化速率高于小爐合金，200h后小爐合金的氧化速率稍高于大爐合金。合金氧化增重的拋物線規(guī)律可用下式表達(dá):
(△W/A)=Kpt+C (1)
式中,(△W/A)為單位面積的氧化增重;t為時間;Kp為拋物線氧化常數(shù);C為積分常數(shù)。
將合金在拋物線規(guī)律的區(qū)域（0~500h)按公式(1）進(jìn)行回歸分析（圖6)，圖中直線段的斜率即為Kp(表2)。小爐合金的Kp高于大爐合金，說明添加稀土元素可以降低合金的氧化速率。
3分析和討論
合金的氧化層主要是Fe、Co、O的富集區(qū)，這些合金的氧化物產(chǎn)物是Fe (Co)的氧化物，其中大部分是CoFe2O4和?FeO，?Fe2O3的量較少。而形貌中的氧化內(nèi)層，主要是Ni、Nb等元素的富集區(qū)，О的含量較低，他是表面氧化層與基體間的過渡層，在合金氧化過程中，F(xiàn)e不斷向基體外表面擴(kuò)散，在外表面與氧反應(yīng)生成氧化物，隨著氧化時間的增加，F(xiàn)e元素不斷向外表面?zhèn)魉停趸瘜优c基體的交界處即形成一貧Fe區(qū)。可以認(rèn)為，形成保護(hù)性的CoFe2O4是合金抗氧化的主要方式。
在氧化前期，兩爐合金氧化呈拋物線規(guī)律，主要是由于形成了保護(hù)性的CoFe2O4;在500h后氧化轉(zhuǎn)為直線規(guī)律，氧化速率完全由Fe的擴(kuò)散所控制。雖然不含稀土元素的小爐合金在早期的氧化速率較低，但200h后其氧化速率超過含稀土無素的大爐合金。從兩爐合金的氧化層和過渡層的厚度也可以看出，加入稀土元素可以改變氧化層的形貌,同時也改善了過渡層的組織，增加了氧化層的附著力;較厚的擴(kuò)散過渡層極大地降低了Fe向外擴(kuò)散的速度，也降低了由于Fe擴(kuò)散引起的晶格缺陷，使氧化層致密。表現(xiàn)在動力學(xué)曲線上，含稀土元素的大爐合金的直線斜率明顯比不加稀土的小爐合金低。稀土元素的存在可改善氧化過程中Fe元素的擴(kuò)散行為，從而提高合金抗氧化性能。
4結(jié)論
(1）合金的氧化層形貌為外層的氧化物層和內(nèi)層的擴(kuò)散過渡層。添加稀土元素改善了氧化層與基體的附著力，并使其致密。
(2)合金氧化層的主要產(chǎn)物是CoFe2O4?和FeO，及較少量的?Fe2O3。
(3）合金在700℃的氧化動力學(xué)曲線的特點(diǎn)是前期為拋物線，后期為直線。添加稀土元素可降低GH2909合金在200h后的氧化動力學(xué)。
(4)稀土元素提高GH2909合金抗氧化性能實(shí)質(zhì)是有效地降低了Fe向外層的擴(kuò)散。
