TNM 合金在模拟高温盐雾环境下的微观组织演化与动态高温腐蚀机理

《Progress in Natural Science: Materials International》：Microstructural evolution and dynamic hot corrosion mechanisms of a TNM alloy in a simulated high-temperature salt spray environment

　　

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  开发了一种动态热腐蚀设备用于服役性能评估。
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  阐明了腐蚀动力学与微观结构演变之间的相关性。
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  阐明了动态热腐蚀的多元素协同降解机制。

引言

先进航空航天飞行器向轻量化、结构更复杂和更苛刻服役条件的发展，对具有高温性能的轻质材料提出了日益增长的需求 [1,2]。TiAl 合金是高温应用前景广阔的轻质结构材料，因为它们结合了 3.9–4.2 g/cm³ [3,4] 的低密度，高比强度 [5]，良好高温抗氧化性 [6] 和优异的抗蠕变性 [7]。它们被视为 700-900 °C 选定应用中镍基高温合金的有前景的替代品 [[8], [9], [10]]。TiAl 合金越来越多地被考虑用于航空发动机压气机部件、低压涡轮叶片、汽车发动机阀门及其他关键航空航天结构 [[11], [12], [13], [14]]。然而，极其恶劣的服役环境对 TiAl 合金的性能构成了严峻挑战。在高温下，源自燃料杂质、燃烧产物或海雾的碱金属盐以及含 S 和 Cl 的腐蚀性物种可能会沉积在 TiAl 部件表面 [[15], [16], [17]]。这些沉积物与合金发生反应，促进活性物种（特别是氧）向内传输。因此，合金表面形成疏松、多孔且非保护性的腐蚀层，加速热腐蚀和近表面降解 [[18], [19], [20], [21]]。

清楚了解热腐蚀行为及相关降解机制对于评估和改善 TiAl 合金在苛刻环境中的服役性能至关重要。酸碱熔剂模型被广泛用于阐明金属材料的热腐蚀机制 [[22], [23], [24], [25]]。根据该理论，沉积在合金表面的混合盐在高温下保持熔融状态，合金主要在界面处与 O^2? 离子相互作用。涉及阴离子与保护性氧化物中的 O^2? 离子结合的反应定义为碱性熔剂作用，而氧化物分解为金属阳离子和 O^2? 离子的过程称为酸性熔剂作用 [24]。基于这些理论模型，几项研究系统地调查了 TiAl 合金在 NaCl、Na₂SO₄ 和 NaCl + Na₂SO₄ 介质中的热腐蚀行为，阐明了 S 和 Cl 的不同机制作用 [[26], [27], [28], [29], [30], [31], [32], [33]]。硫酸盐物种可以促进 TiO₂ 和 Al₂O₃ 的溶解和反复沉淀，这削弱了氧化层的保护能力并为活性物种创造了扩散路径 [26,27]。氯可以与金属元素反应形成挥发性氯化物。这些氯化物的向外传输及随后的氧化增加了腐蚀层的孔隙率和脆性 [26]。S 和 Cl 的协同相互作用显著降低了合金的耐腐蚀性和结构完整性 [[28], [29], [30], [31], [32], [33]]。长期暴露于高温和腐蚀性介质中最终可能导致严重的微观结构降解和累积损伤 [[34], [35], [36], [37]]。

尽管 TiAl 合金的热腐蚀反应已得到广泛讨论，但在长期热腐蚀过程中表面和横截面微观结构的演变仍了解不足。此外，大多数常规热腐蚀测试是通过将盐预沉积在样品表面或将样品暴露于熔融盐上方的蒸气中来进行的。这种静态或半静态方法无法充分重现航空发动机服役条件下高温、流动气体和连续供应腐蚀性物种的同时作用。这一限制限制了 TiAl 合金在动态腐蚀环境中的实验评估，并使难以建立腐蚀动力学与微观结构演变之间的直接关系。

锻制 TNM 合金是典型的 TiAl 合金，在叶片等航空发动机部件中具有潜在应用。因此，本研究选择了一种名义成分为 Ti-43Al-4Nb-1Mo (at.%) 的 TNM 合金。使用自行设计的动态盐雾设备，在 800 °C 下系统地评估了 TNM 合金的热腐蚀行为。该设备在受控气流下持续将雾化混合盐溶液引入炉内，从而重现了动态高温腐蚀环境的几个关键特征。通过检查不同暴露时间下的质量增加、相组成、表面形貌和横截面微观结构来评估热腐蚀行为。特别关注了腐蚀动力学、多层腐蚀层以及腐蚀产物反复生长和剥落之间的关系。本研究为评估含盐动态环境下 TiAl 合金的热腐蚀行为提供了实验基础和机制理解。

章节摘要

热腐蚀设备

两种方法常用于建立热腐蚀测试的腐蚀环境。在方法一中，将指定量的混合盐均匀沉积在样品表面。该方法允许准确控制盐载荷，因此广泛用于热腐蚀研究。在方法二中，气流携带熔融盐混合物上方产生的盐蒸气输送到样品表面。该方法更好地代表了服役条件下的气流效应。然而，

初始微观结构

本工作中 Ti-43Al-4Nb-1Mo 合金的实测化学成分见表 1。实测成分接近名义成分。热腐蚀测试中使用的 TNM 样品的初始微观结构如图 2(a 和 b) 所示。该合金表现出由 α₂/γ 片层群、等轴 γ 晶粒和岛状 β_o 相组成的近片层状（NL）微观结构。如图 2(a) 所示，等轴 γ 晶粒沿片层连续分布

热腐蚀层的演变与微观结构特征

上述对样品表面形貌的分析表明，热腐蚀产物主要由 TiO₂ 和 Al₂O₃ 组成。值得注意的是，随着热腐蚀时间的增加，片状 TiO₂ 颗粒逐渐在合金表面聚集形成更大的团簇。为了阐明循环暴露过程中热腐蚀层的微观结构演变和形貌特征，对暴露不同时间的样品的横截面微观结构进行了

结论

在本工作中，通过在 800 °C 盐雾环境中进行长达 200 小时的循环热腐蚀测试，研究了 TNM 合金的微观结构演变和热腐蚀机制。系统地分析了热腐蚀动力学，并表征了表面和横截面微观结构的演变。此外，阐明了热腐蚀动力学与微观结构演变之间的相关性。主要结论如下：

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  新型动态高温

CRediT 作者贡献声明

Biao Ma：撰写 - 初稿，调查，正式分析，数据管理。 Bin Tang：撰写 - 审阅与编辑，监督，方法论，概念化。 Xiaofei Chen：调查，正式分析。 Beibei Wei：撰写 - 审阅与编辑，正式分析。 Xiang Zhang：撰写 - 审阅与编辑，可视化。 Huiqin Wang：调查。 Xiangyu Pan：撰写 - 审阅与编辑。 Jinshan Li：监督，资源，项目管理。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能会影响本文所报告的工作。

致谢

本工作得到了西北工业大学凝固技术国家重点实验室研究基金 (资助编号：2025-TS-07) 和国家自然科学基金 (编号：52174377) 的资助。本工作也得到了陕西材料分析研究中心和西北工业大学分析测试中心的资助。

Biao Ma|Bin Tang|Xiaofei Chen|Beibei Wei|Xiang Zhang|Huiqin Wang|Xiangyu Pan|Jinshan Li