STUDY ON CYCLIC OXIDATION RESISTANCE OF HIGH NIOBIUM CONTAINING TiAl BASE ALLOY WITH ERBIUM

Ó 49 µ Ó 11 Vol.49 No.11 2013 11 Æ Ó 1369 1373 ACTA METALLURGICA SINICA Nov. 2013 pp.1369 1373 Ý Er Ù Nb TiAl Đß Æ ¹ ¾º ½ ( Ź Å Å, 100124) ± ½Þ Cu ÛÀ ÊÚ Ti 46Al 8Nb È Ti 46Al 8Nb 0.1Er Ì. ¼² ÚÆÆ, «Ì XRD, SEM È EDS ¹«²Æ͵ Ó Ì ÆÛÛ, Ì 900 ½É Å. «ß, 2 Ì É 100 h, 100 cyc Đ «, Ti 46Al 8Nb 0.1Er Ti 46Al 8Nb ¾ Ì ½ Å, Ô Ì Al 2O 3 Í, È ½ Ó ÌÅ«Ì ß² ÐÌ Ó Þ. Er Ì Ó, ˺ O ÅÆ, Î TiAl Al 2O 3, Ë Ý TiAl ÓÌ ½É Å. Û Ñ TiAl, É, Er, ³ Ô Þ TG164 «A ² Þ 0412 1961(2013)11 1369 05 STUDY ON CYCLIC OXIDATION RESISTANCE OF HIGH NIOBIUM CONTAINING TiAl BASE ALLOY WITH ERBIUM GONG Ziqi, CHEN Ziyong, CHAI Lihua, XIANG Zhilei, NIE Zuoren Department of Materials Science and Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124 Correspondent: CHEN Ziyong, professor, Tel: (010)67392280, E-mail: czy@bjut.edu.cn Supported by Beijing Municipal Education Commission High level Talents Training Project (No.00900054R8002) and Beijing University of Technology Doctoral and Scientific Research Fund Project (No.009000543113527) Manuscript received 2013 07 10, in revised form 2013 08 04 ABSTRACT Ti 46Al 8Nb and Ti 46Al 8Nb 0.1Er alloys were prepared by the cold crucible induction levitation melting method. The oxidation behavior experiment was done in air at 900 up to one hundred times. Based on the oxidation kinetic analysis and the phase constitution, microstructure and the interface of the oxidation film and the matrix were investigated by means of XRD and SEM equipped with EDS, the cyclic oxidation resistance of TiAl based alloys was explored. The results showed that no spallation of layer occurs in both alloys, and Ti 46Al 8Nb 0.1Er comparing with Ti 46Al 8Nb exhibits more excellent oxidation resistance, oxides formed on the surface consist of mainly Al 2 O 3, the continuous compact oxidation film with a good combination with the matrix significantly decreases the oxidation rate, the mass gain and the oxide film thickness. The addition Er purifies the alloy matrix and prevents the inward diffusion of oxygen atoms, thereby improves the cyclic oxidation resistance of TiAl based alloy. KEY WORDS TiAl, cyclic oxidation, Er, oxide layer TiAl ÔÍ Ç Í Øµ Í º Ý Ü ÈÍ «, ÙÑØß µ ²ß µ ²ß ÍÆ ¾ * Ï É ¼ ¾ 00900054R8002 È Æ³Ë Í ÚÓ ¾ 009000543113527 Ä Á : 2013 07 10, : 2013 08 04 Ð : Æ,, 1987 ÆÁ, ³ËÁ DOI: 10.3724/SP.J.1037.2013.00394 «, ÍÄ Ä µ û, Ä ÛÕÑË Â ÔØ Ä Õ µ Ö µ ëÜß±, Å Í ÛÕß Ë É ¼» [1,2]., TiAl ÔÍ º Ð Õ Í Ð Õ ÔØÎ À ÉÎ Ü Î Ü» ³, TiAl Ô Í É 850 Ô ¾ «Ç ÊÎ

1370 Ä Ó 49 µ ß Ð Í Ä Ä Üß [3]. ß, ÏÎ. Öà ͻ ² ÃÎ Ð, Ü Í ĐÞÍ Òɳ Î È TiAl ÔÍ ß, ÓÔ ÇÝÜß ÇÇ «[4]. TiAl ÔÍ µ ¾ Ê ß. ±, 2 É TiAl ÔÍ µ ¾ «: (1) TiAl ÔÍ Ü Û, Å ÜÍ É Û, Í Ü Ü, Ã Í Î Ü Û, Þµ TiAl ÔÍ Üµ «É «; (2) ÐÍ, Ñ Ü Í Ð, Ù ĐÞ» Í ÒÔÞµ TiAl ÔÍ Ð «Éµ ¾ [5 8]. Í Ó ±Þµ TiAl ÔÍ µ ¾ «Î. µ Î, Í Ò V, Mn, Cr Ð «ÞÏ, Mo, Nb, Hf, Zr, Cr, W «Þµ ¾ [9]. Nb «³ Þµ γ TiAl É α 2 Ti 3 Al Í ¾ [10 13]. Wu [14] Î ÃÏ Y Ti 50Al Í ¾ ݽ, µîï Y «Þ µ Ti 50Al Í ¾. ß ÐÌ Ò Er «Y º [15]. Ò Er TiAl ÔÍ ¾ «Î. Ð Þµ TiAl ÔÍ µ ¾ «, Î Ò Nb É Er Í TiAl ÔÍ µ ¾ «ßغÜÕ. Ç Ti 46Al 8Nb É Ti 46Al 8Nb 0.1Er Í 900 ± ÛÇÇØ ÉÔÐ ÜÎ Î, Nb É Er TiAl Í µ ݽ, ÙÚà Er µ Nb TiAl Í ¾ «ßÕ. 1 ÕÓ ¾ß Cu ±ÜÁ Ë Ð Ti 46Al 8Nb É Ti 46Al 8Nb 0.1Er(«Ç, %) Í. ¾ß «ÁÚ Ti(99.9%), µè Al (99.99%), Al Nb Í É Al Er Í. Æ ²Í, Ø Ë 3 ʱ 900 ± 48 h ÅÐÅ. ¾ß Ð ³, Ì¾Å Ø ÜÉ ³» 15 mm 10 mm 1 mm Á, 6 ¹ ÜÜ SiC ¼ĐÍ 600 Ç, ½ ± À² 20 min ±. Ø Ê Ç SX2 10 13»É Ì, ß ±1, ß 900.» 10 ml, È Æ Ö ( ) Ä, ÔÈ 6 ¹ Ü À. Ê Ê 100 cyc, Õ Ê Å 900 Æ 1 h, à 10 min, Ê Ê 2, 5, 10, 25, 50 É 100 cyc Å Ï Ï. Ï TG328A ( ß 0.1 mg), Æ²Ç ³ ¼, Õ Í ß 3 ¹, Ç Õ. ß D8 ADVANCE ÂÀ Ö X Ò (XRD) Í ºÎ, : CuK α (λ=0.154157 nm), 40 ma, Ë 40 kv, ÝÅ 20 90, Ý É¾ßÉ, ÝÔ 2.0 /min. Äß HITACHI S 3400N Ý Ç³ (SEM) ÜÉ Ü, Link ISIS «Ò (EDS) ÙÏ, Ô¼Ù Î ÃÏØ. 2 Ü Å 2.1 ÐÒ 1 ³Ê Ti 46Al 8Nb É Ti 46Al 8Nb 0.1Er Í 900 100 h, 100 cyc ÛÇǺ. 2 Í ÛÇǺ º, ¾, µãîñ Ô, µüô «Ð. Ti 46Al 8Nb Í 1.7 mg/cm 2, Ti 46Al 8Nb 0.1Er Í 1.2 mg/cm 2, ± 70.6%. Er ĐÞ Ñ Ti 46Al 8Nb Ô, Í ¾ «. À [16] Î Ã Y Í Ti 45Al 5Nb 0.3Y 900, 80 h Ê, ÛÇǺ 1 Ê, Ò Er Ò Y Ð ÍÆ ¾ «Ç. 2.2 ÐÒ ÖÐ Í Ô Ôß [17 19] : M n = k p t (1), M, mg/cm 2 ; n Ù¹ ; k p ÜÔ ; t Å, h. n=1 Å, º Mass gain, mg/cm 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 Ti-46Al-8Nb Ti-46Al-8Nb-0.1Er Ti-45Al-5Nb-0.3Y [16] 0.0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Time, h 1 Ti 46Al 8Nb, Ti 46Al 8Nb 0.1Er È Ti 45Al 5Nb 0.3Y [16] Ì 900 ÚÆƹ Fig.1 Kinetic curves of oxidation of Ti 46Al 8Nb, Ti 46Al 8Nb 0.1Er and Ti 45Al 5Nb 0.3Y [16] alloys at 900

Ó 11 Å :  Er ³ Nb TiAl ÒË ¼È Ì 1371, Å ±, ¾ ; n=2 Å, º, Å ±, Æ ¾ ; n 3 Å, n Ê Å ±, Æ ¾. É (1) λ, : lg M = 1 n lgt+ 1 n lgk p (2) lgt lg M º ³Ö Í, 2 Í 900 Ê 100 h, 100 cyc Ù¹ n É Ô k p : Ti 46Al 8Nb Í, M 1.91 = 5.68 10 4 t (3) Ti 46Al 8Nb 0.1Er Í, M 1.93 = 4.96 10 4 t (4) ½³É (3) É (4) ÜÕ, Ti 46Al 8Nb É Ti 46Al 8Nb 0.1Er Í n Ü 2, Å ±, 2 Í Ô Ñ, Æ ¾. µ, Ti 46Al 8Nb 0.1Er Ù¹ (n=1.93) Ti 46Al 8Nb Í Ù¹ (n=1.91), µ ÜÔ (k p =4.96 10 4 ) Ti 46Al 8Nb Í Ô (k p =5.68 10 4 ), Ti 46Al 8Nb 0.1Er Í Ô, Õ Æ Đ. Er ĐÞ Ñ Í Ô, Í ¾ «. 2.3 Ð 2 Ti 46Al 8Nb É Ti 46Al 8Nb 0.1Er Í Ü ÓØ XRD. 2 Í 900, 100 h Ü Óº, Ð Ö, Ü ÃÐ Á Å, EDS Í ÏÄ TiO 2. Ti 46Al 8Nb Í Ü, µðù ĐÜÐ Á, µ Á»Ù, «ÎÆÒ Ð, ÅĐ Đ, ÖÕ Â ÐÃ. Ti 46Al 8Nb 0.1Er Í (b) TiO 2 TiAl Al 2 O 3 20 30 40 50 60 70 80 2, deg (d) TiO 2 TiAl Al 2 O 3 20 30 40 50 60 70 80 2, deg 2 Ti 46Al 8Nb È Ti 46Al 8Nb 0.1Er Ì Û Ò XRD Fig.2 Morphologies (a, c) and XRD patterns (b, d) of outer oxide layer of Ti 46Al 8Nb (a, b) and Ti 46Al 8Nb 0.1Er (c, d) alloys

1372 Ä Ó 49 µ (c) Al O Nb Ti Matrix (d) Al O Ti Matrix Nb 0 2 4 6 8 10 12 14 Distance, m 0 2 4 6 8 10 12 14 Distance, m 3 Ti 46Al 8Nb È Ti 46Al 8Nb 0.1Er Ì 900, 100 h ÅÛ͵ º Ñ µ Fig.3 Cross section microstructures (a, c) and elements line distributions (c, d) of the Ti 46Al 8Nb (a, c) and Ti 46Al 8Nb 0.1Er (b, d) alloys oxidized at 900 for 100 h TiO 2 Å, Í Ü «Æ. 2 Í XRD ºÎ º, TiO 2, Al 2 O 3 ÉTiAl, ±µüôtio 2. Ï TiAl º, «ÍÚ Î, X Æ ÔÐ. Ö Í: Er O «Ç Ö ² Í«Ç, ±Õ Er 2 O 3 (   f H Θ m(er 2 O 3 )= 1897.86 kj/mol) [20], ĐÞ Er XRD Er, «Er ÃÏ. 2.4 Ð ÚØ Ti 46Al 8Nb É Ti 46Al 8Nb 0.1Er Í 900, 100 h Ü 3 Ê. Í Ò ³, 2 Í Ì Ñ Ê TiO 2 /Al 2 O 3 +TiO 2 / Ti(Nb) /ÔÐ. Ì Ô»Ã, Ti 46Al 8Nb Í µ Đ, ß 9 µm, ÔÐ Ä, µïá õ µ, Đ ÉÔÐ ÜÇ, Đ Ð¾, ÖÕ¾ÏÁ Ê Â. Ti 46Al 8Nb 0.1Er Í ß 5 µm, Ü Đ ³ µ, ÔÐ Í Á ÍÆ, ÏÁ Ô Ô Ãµ µ, Đ ÔÐ Ä [15]. Er ĐÞ Í ÔÐ, Ñ Í O ÃÏ, Ì ÐÙ ß Al, Ï ÜÕ Í É ¾Ø Al 2 O 3, Þ µ Í ¾ «[21 23]. ÅÞ Er Í Í, /ÔÐ Å Ð Ì, Ì» ÔÐÅ, Í µ ¾. 3 Å (1) Ti 46Al 8Nb É Ti 46Al 8Nb 0.1Er Í Ü ÍÆ µ ¾, ± µã Ñ Ô É. (2) Er ĐÞ Ñ ÏÁ ß, Í Õº É Ð.

Ó 11 Å :  Er ³ Nb TiAl ÒË ¼È Ì 1373 (3) Er ĐÞ Í ÔÐ, Ñ Í O ÃÏ, Ï Õ Í É ¾Ø Al 2 O 3, Þµ Í µ ¾ «. [1] Djanarthany S, Viala J C, Bouix J. Mater Chem Phys, 2001; 72: 301 [2] Wu X H. Intermetallics, 2006; 14: 1114 [3] Kim Y W. JOM, 1994; 46(7): 30 [4] Dimiduk D M. Mater Sci Eng, 1999; A263: 281 [5] Yang M R, Wu S K. Acta Mater, 2002; 50: 691 [6] Xin L, Shao G, Wang F, Tsakiropoulos P, Li T. Intermetallics, 2003; 11: 651 [7] Nishimoto T, Izumi T, Hayashi S, Narita T. Intermetallics, 2003; 11: 225 [8] Sun J, Wu J S, Zhao B, Wang F. Mater Sci Eng, 2002; A329 331: 713 [9] Perez P, Jimenez J A, Frommeyer G, Adeva P. Mater Sci Eng, 2000; A284: 138 [10] Leyens C, Peters M, translated by Chen Z H. Titanium and Titanium Alloys. Beijing: Chemical Industry Press, 2005: 183 (Leyens C, Peters M, Ø. Ì. : Æ Â, 2005: 183) [11] Zhao L L, Lin J P, Wang Y L, Ye F, Chen G L. Acta Metall Sin, 2008; 44: 557 ( ÂÃ,, Â,, Ì. Æ, 2008; 44: 557) [12] He S F, Lin J P, Xu X J, Gao J F, Wang Y L, Song X P, Chen G L. Rare Met Mater Eng, 2006; 35: 257 (ÊÑ,, ¹,, Â, Ð, Ì. º, 2006; 35: 257) [13] Lin J P, Zhao L L, Li G Y, Zhang L Q, Song X P, Ye F, Chen G L. Intermetallics, 2011; 19: 131 [14] Wu Y, Hagihara K, Umakoshi Y. Intermetallics, 2004; 12: 519 [15] Zhu Y M. Master Thesis, Harbin Institute of Technology, 2011 ( Þ. À Æ ËÆ, 2011) [16] Li B H. PhD Dissertation, Harbin Institute of Technology, 2007 (. À ƳËÆ, 2007) [17] Lu X, He X B, Zhang B, Qu X H, Zhang L, Guo Z X, Tian J J. J Alloys Compd, 2009; 478: 220 [18] Zhao L L, Li G Y, Zhang L Q, Lin J P, Song X P, Ye F, Chen G L. Intermetallics, 2010; 18: 1586 [19] Zhao B, Wu J S, Sun J, Tu B J, Wang F. Mater Lett, 2002; 56: 533 [20] Zhang X Y. Practical Manual of Chemical. Beijing : National Defence Industry Press, 1986: 232 (. ÆÞ Æ. : Æ Â, 1986: 232) [21] Pérez P, Jiménez J A, Frommeyer G, Adeva P. Mater Sci Eng, 2000; A284: 138 [22] Yang R, Cui Y Y, Dong L M, Jia Q. J Mater Process Technol, 2003; 135: 179 [23] Yoshihara M, Miura K. Intermetallics, 1995; 3: 357 (»: µ ¼)