【摘 要】
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γ-TiAl合金具有轻质、高比强度、高温蠕变性能良好和力学性能好等特点,已成为航天航空领域关键金属材料之一。但是,在700℃-800℃该材料的抗氧化性能急剧恶化,严重限制了其规模化工程应用。常通过添加微量合金化元素和表面涂层处理来改善其抗氧化性能,但合金化法会影响基体材料的力学性能,表面涂层常由于层/基元素扩散引起剥落失效。研究发现微量卤族元素（氟、氯等）能大大改善γ-TiAl合金的抗高温氧化性能
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γ-TiAl合金具有轻质、高比强度、高温蠕变性能良好和力学性能好等特点,已成为航天航空领域关键金属材料之一。但是,在700℃-800℃该材料的抗氧化性能急剧恶化,严重限制了其规模化工程应用。常通过添加微量合金化元素和表面涂层处理来改善其抗氧化性能,但合金化法会影响基体材料的力学性能,表面涂层常由于层/基元素扩散引起剥落失效。研究发现微量卤族元素（氟、氯等）能大大改善γ-TiAl合金的抗高温氧化性能,但其微观机制众说不一,且卤素处理的γ-TiAl合金长期氧化过程中元素迁移引起的界面物相结构演化及其影响鲜有报道。本论文通过NaF溶液预处理提高γ-TiAl合金的抗氧化能力,研究了NaF溶液浓度及等温氧化温度对该合金抗氧化性能的影响;通过高温循环氧化实验对处理后的合金抗氧化性能进行了评估,用划痕和拉伸实验研究了氧化物与γ-TiAl合金基体的结合性能;采用SEM、XRD、GD-MS、XPS和TEM对NaF溶液预处理改善的γ-TiAl抗氧化性机理进行了深入分析。研究内容及结果如下:（1）研究了NaF溶液浓度及等温氧化温度对γ-TiAl合金抗氧化性能的作用。通过不同浓度NaF溶液处理的合金900℃、100 h等温氧化实验,发现NaF溶液浓度对合金的抗氧化性能有重要影响,较高或低的浓度均不利于改善该合金的抗氧化性能,经过0.10mol/L的NaF溶液预处理的γ-TiAl合金抗氧化性能最佳。随着等温氧化温度升高,抗氧化性能降低,1000℃等温氧化样品表面氧化皮剥落严重,这主要是因为钛元素向外扩散生成的氧化钛膜不具有抗氧化性能、且与基体合金的热膨胀性能差异大导致。（2）研究了γ-TiAl合金950℃循环氧化性能及氧化层的力学性能。结果表明,0.10mol/L的NaF溶液预处理的γ-TiAl合金抗氧化性能达到国标完全抗氧化标准。氧化动力学曲线包括初期线性快速增长阶段、中期指数型缓慢增长阶段和后期平稳增长阶段。通过拉伸、划痕实验及SEM/EDS分析,发现循环氧化1000 h后的样品表面氧化物与基体合金间结合性能良好。（3）研究了NaF溶液预处理提高γ-TiAl合金抗氧化性能的微观机制。通过初期氧化实验发现NaF溶液预处理后的样品表面能快速形成致密连续的Al2O3层。通过XPS和GD-MS分析发现F分布于基底合金和氧化物的界面,促进Al2O3生成、且抑制Ti O2的形成;在Al2O3连续膜下面的次表面层中,颗粒状Al2O3及富铌相分布于基底合金中形成过渡区。TEM研究950℃氧化后样品截面结构,发现韧性较好的Ti2Al Nb相和富铌的Ti4Al9Nb3相与Al2O3接触,形成Ti4Al9Nb3/Al2O3界面、Ti2Al Nb/Al2O3界面结构。因此,致密连续的Al2O3层、颗粒状Al2O3、Ti2Al Nb及Ti4Al9Nb3分布于基底中的过渡层、界面相转变区共同作用,提高了γ-TiAl合金抗氧化性能。
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