腐蚀顶刊：新式金属间化合物合金的优异抗高温氧化功能及机理

  导读：根据多元Ni - Co - Cr - Al - Mo - Ti - Ta - Nb - B体系，规划了一种以有序L12结构为主的新式化学复合金属间化合物合金( CCIMA )。对其氧化行为和机理进行了体系研讨。在900℃和1000℃氧化导致最外层构成首要的多元尖晶石氧化物，中心层构成含有金红石型氧化物和硼氧化物的尖晶石氧化物，内层构成接连的Al2O3。此外，氧化导致基体/氧化层界面处因贫Al而产生L12相向D024相的改动。接连构成的内部Al2O3氧化物很好地维护了合金不被氧化。

  具有长程有序结构的金属间化合物合金( IMAs )因为在室温文高温下都具有杰出的屈从强度，在高温结构运用中具有吸引力的功能，使其成为高温环境中最具潜力的资料之一。与航空航天工业热端首要运用的传统镍基高温合金和钴基高温合金不同，有序IMA有望具有更轻的分量、更高的熔点、更好的热导率和安稳的相结构，从而为高温运用铺平道路。先进的硼掺杂Ni3Al基铝化物合金跟着测验温度(低于800℃)的添加，屈从强度出现异常添加，而且在温度高于800 ° C时，也表现出比耐蚀镍基合金- X高温合金更大的屈从强度。更重要的是，有序IMA中的本征脆化能够终究靠可控的微合金化或微观合金化来消除。最近，一种新规划的具有纳米无序界面的多元Ni43.9 Co22.4 Fe8.8 Al10.7 Ti11.7 B2.5金属间化合物合金不仅在室温下表现出优异的强度和塑性组合，而且在1000℃的拉伸测验中坚持了适当的屈从强度( ~ 400 MPa )和杰出的塑性( ~ 25 % )。多元金属间化合物合金在高温下共同的力学功能对其结构要求很重要，而氧化是约束其高温惯例运用的寿数的重要的要素之一，因而，多元金属间化合物合金的氧化行为值得进行定量和体系的研讨。

  一般来说，铝化物和硅化物等有序金属间化合物一般具有抗氧化和抗腐蚀的才能，因为它们能够构成细密、粘附的氧化外表膜，维护母材免受过度进犯。高合金化IMAs的氧化行为比铝化物和硅化物杂乱得多，是因为添加了许多其他合金元素。例如，含Cr、Zr、Mo和B的Ni3Al基合金在900℃~ 1100℃氧化后，氧化膜首要由外层的NiO氧化层和内层的α - Al2O3、Ni Al2O4和(单斜晶系,四方晶系) - ZrO2混合氧化物组成。因而，许多合金元素已被查看，以了解它们怎么改动抗氧化功能；研讨之后发现，在1000℃以上的热循环过程中，添加少数的Hf和Cr能加强Ni3Al合金中氧化膜的粘附性。特别是，Cr被合金化以缓解Ni3Al基铝化物在中温下的动态脆性，因为它被包容在L12结构中。此外，用难熔元素(如Zr、Nb、Ta、Nb、Mo、W、V、Hf等)替代Ni3Al基铝化物中的Al亚点阵具有潜在的成果，如在室温文高温下具有更高的硬度和强度，因为这些元素在Al位的方位偏好。总的来说，Cr和难熔元素的元素调控有望坚持Ni3Al基合金在高温下具有更加好的抗氧化功能和强化效果。在IMAs的规划中，除了金属元素外，还需要添加少数的B元素，以进步机械功能，而且因为它们在内部氧化层中的堆集，能够在800 °C下对Co基和Ni基高温合金的抗氧化功能有利。

  但是，每种元素的溶解度极限不同，复合合金化对相结构和相关氧化行为的影响也很少被提醒。香港城市大学资料科学与工程系的杨涛专家团队进行了相关研讨，本研讨在Ni3Al型金属间化合物合金中添加了Co、Cr、Nb、Mo、Ti、Ta和B等多元合金元素。B添加的动机是根据其对合金力学功能的影响，这是因为晶界强度的添加以及B和Co在晶界区域的共偏聚构成的无序纳米层。咱们对一种新规划的化学杂乱金属间化合物合金( CCIMA )在900℃和1000℃下的氧化行为进行了深入研讨。研讨了其物相结构、氧化动力学和氧化机理。提醒这一点将促进咱们对金属间化合物合金的合金化机制和高温抗氧化功能的了解。这些发现将对正在测验开发用于高温运用的抗氧化性化学杂乱金属间化合物合金的社区具有实用价值。相关研讨成果以“Exceptional high-temperature oxidation resistance and mechanisms of a novel chemically complex intermetallic alloy”为题，宣布在Corrosion Science上。

  ( a ) L12相组成元素的附近性直方图。( b )对典型的APT针尖进行了三维重构，显现了L12相中的元素散布。

  CCIMA在900 ℃和1000 ℃空气条件下氧化100 h的氧化动力学：( a )增重；( b )体重添加与时刻的平方。( c )现在CCIMA、高熵合金和传统高温合金的抛物线速率常数的比较。

  CCIMA在900 ℃空气中循环氧化100 h后的外表描摹及对应的直接效果和直接效果图谱。

  CCIMA在1000 ℃空气中循环氧化100 h后的外表描摹及对应的直接效果和直接效果图谱。

  本研讨对一种新规划的CCIMA的氧化行为进行了体系研讨。CCIMA包含多组分的( Ni、Co)3( Al、Ti、Nb、Mo、Ta)型L12相，( Ta、Nb、Mo)( Co , Ni)2B型硼化物，以及富含( Ni、Cr、Co)的FCC相。CCIMA的氧化产生了多层氧化物结构，外层首要是多组分尖晶石氧化物，中心尖晶石氧化物层包含( Ti、Nb、Ta)2O4型氧化物和硼氧化物，而内层在900 ℃和1000 ℃处都是接连的Al2O3层。CCIMA在900 ℃和1000 ℃下的氧化速率极低，分别为8.7 × 10 - 5 mg2 cm - 4和5.6 × 10 - 4 mg2 cm - 4每小时。L12相分解为( Ni、Co)3( Ta、Ti、Nb)型D024相，这是因为接连Al2O3的构成耗费了Al。Al2O3层和( Ni、Co)3( Ta、Ti、Nb)相的构成均有助于消除Ti的晦气影响，具有优异才能的抗氧化功能。高温氧化后，硼在氧化物的鸿沟处集合，这可能会增强氧化层的附着力。