Ti40阻燃钛合金的高温氧化行为

第 24卷 第 3期 Vol.24 No.3 2007年 6月 June 2007 收稿日期：2006-07-13 作者简介：李 倩（1981-），女，助理工程师，主要从事钛及钛合金的研发工作，电话：029-86231078。 Ti40阻燃钛合金的高温氧化行为 李 倩，赵永庆，吴 欢，杨海瑛 （西北有色金属研究院，陕西 西安 710016） 摘 要：研究了高稳定 β型阻燃钛合金 Ti40合金在 900 ℃～1050 ℃温区内氧化时的氧化行为。结果表明：随着 温度的升高及时间的延长，试样表面氧化皮由较为平整变化为表面氧化皮严重脱落且基体表面呈现为淡绿色。对 该物质进行能谱分析后显示淡绿色物质为 TiO2和 Cr2O3的混合物。900 ℃～1000 ℃的氧化动力学曲线显示，随温 度升高氧化增重急剧增加，在温度 1000 ℃～1050 ℃范围内，试样氧化增重虽仍随时间的增加而增加，但总量有 所下降。 关键词：阻燃钛合金；氧化；组织 1 前 言 钛及钛合金以其优良综合性能在先进高性能 航空发动机中得到大量应用。然而在航空发动机使 用的苛刻环境中，常规钛合金容易被点燃而发生持 续燃烧，即“钛火”，因此，为避免发动机中钛合 金的燃烧，满足高性能、高推重比航空发动机对材 料的特殊要求，促进了可抗燃烧－阻燃钛合金的发 展。目前阻燃钛合金主要由两种体系构成，一种是 Ti-V-Cr 系，如美国 Alloy C、中国的 Ti40 以及英 国的 Ti-25V-15Cr-2Al-0.2C；另一种是 Ti-Al-Cu系， 如俄罗斯的 BTT-1/BTT-3 和中国的 Ti14。相比较 而言，前一种体系合金的综合性能较好[1]，尤其是 Alloy C合金已在 F119发动机中得到了成功的实际 应用[2]。Ti40合金经过多年系统研究，也具有优良 的力学性能。在此本试验对该合金的高温氧化行为 进行研究，这将对材料的热加工有重要的指导意 义。 2 试 验 试 验 用 Ti40 合 金 （ 名 义 成 分 为 Ti-25V-15Cr-0.2S）是西北有色金属研究院自制，将 中间合金和纯元素材料经 3次真空自耗电弧炉熔炼 （VAR）制成铸锭，线切割切取 Φ10 mm×10 mm 的铸态试样若干个。试样表面均经光亮处理。处理 后的样品和坩埚分别用电子天平称重。按温度分为 4组（900 ℃～1050 ℃，每 50 ℃为一组），每组 4 个试样。在箱式电阻炉进行热暴露，分别在 0.5 h、 1 h、3 h、5 h取样一次。氧化后的样品连同坩埚称 重，用光学显微镜、扫描电镜、能谱对氧化后的样 品进行观察分析。 3 分析与讨论 3.1 不同温度与时间下 Ti40合金的氧化增重 图 1为不同温度与时间下的氧化增重曲线。这 4 个温区的氧化增重总体呈现随时间增加氧化增重 量增加的趋势。在低于 1000 ℃时增重随时间及温 度正向增加，而达到 1050 ℃时，虽然曲线仍然呈 上升趋势，但是总体增重量明显降低。 图 1 Ti40合金在不同温度及时间下的氧化增重曲线 3.1.1 氧化增重随温度的变化 0 1 2 3 4 5 时间/h 35 30 25 20 15 10 5 0 △ m /× 10 -5 g· m m -2 1000℃ 950℃ 1050℃ 900℃ 16 24卷 900 ℃氧化时，增加趋势缓慢，这是因为表面 氧化层较为致密；至 950 ℃氧化时，曲线斜率增大 即氧化速度明显增快，单位增重量增大，分析其原 因为某种物质的挥发产生孔洞，造成试样表面积增 大，氧化速度才会迅速加快；当氧化温度升高至 1000 ℃，基本上保持原有氧化速度只是增重量有进 一步提高，至 1050 ℃氧化时，氧化速度及增重量 都明显降低。在试验中，坩埚内存在有黄色物质， 且温度越高，时间越长，残留物越多。有研究表明， 这是挥发的 V2O5[3]，该物质熔点低，只有 675 ℃， 故较易挥发，认为这是造成 950 ℃氧化速度迅速增 加及 1050 ℃氧化增重降低的主要原因。 3.1.2 氧化增重随时间的变化 氧化增重均表现为随时间延长单位增重量增加 的趋势。只是在 1050 ℃氧化时其单位氧化增重量 较 1000 ℃及 950 ℃有所下降。 3.2 试样氧化层宏观形貌观察及氧化物成分分析 图 2 为不同温度下氧化层的宏观形貌。在 900 ℃～950 ℃温区内，0.5 h至 3 h氧化后试样表面氧 化皮较为致密，氧化 5 h后试样表面的氧化皮不平 整，表面有小的凹坑，边缘部分开裂（见图 2a）。 1000 ℃温区氧化时，前几阶段氧化皮表面出现凹 坑，而在 5 h氧化时出现氧化皮的脱落情况，可以 看出近基体的氧化层呈现淡绿色（见图 2b）。1050 ℃温区氧化时，从 0.5 h 起就出现有凹坑，边缘开 裂等现象，到 5 h，氧化皮严重脱落，大部分区域 呈现为淡绿色（见图 2c）。 3.3 试样氧化层微观形貌观察 3.3.1 相同氧化温度下的形貌 图 3 为 1050 ℃氧化后氧化层微观形貌。表明 随氧化时间增加，氧化层中逐渐生成大量疏松孔洞。 这是由于 V2O5 的大量挥发及氧化皮的脱落不断产 生新鲜表面，加剧氧化。 图 2 不同温度氧化试样的氧化层 OM照片 (a) 900 ℃, 3 h～5 h; (b) 1000 ℃, 3 h～5 h; (c) 1050 ℃, 3 h～5 h 图 3 Ti40合金 1050 ℃氧化后氧化层 SEM形貌 (a) 0.5 h; (b) 1 h; (c) 3 h 图 4为 Ti40合金氧化层能谱分析。对这种绿色 物质进行了能谱分析，表明该物质为 TiO2和 Cr2O3 的混合物（见图 4a），从另一方面证实了以前的相 关研究[3]。 另外还对氧化层黑色部分进行了能谱分析，结 果表明，此部分成分为 TiO2（见图 4b）。 3.3.2 相同氧化时间下的形貌 图 5 为 Ti40合金氧化 3 h 后的试样氧化层微 a b c a b c 第3期 李 倩等：Ti40阻燃钛合金的高温氧化行为 17 观形貌。900 ℃～950 ℃氧化时，氧化层中空隙 较少（见图 5a），并且在表面存在有白色颗粒（见 图 5b），能谱分析结果表明白色颗粒为 SiO。该 物质对于氧化层与基体的黏附性有害 [2]。 1000 ℃～1050 ℃氧化时，氧化层中出现大量疏松孔 洞（见图 5c），而且白色 SiO 颗粒呈逐渐减少趋 势（见图 5d）。 图 4 Ti40合金氧化层能谱分析 (a) 氧化层绿色部分；(b) 氧化层黑色部分 图 5 Ti40合金 3 h氧化后氧化层微观形貌 (a) 900 ℃; (b) 950 ℃; (c) 1050 ℃; (d) 1000 ℃ 4 结 论 1）随着温度的升高及时间的延长，试样表面氧 化皮由较为平整变化为表面氧化皮严重脱落且近基 体呈现为淡绿色。对该物质进行能谱分析后显示该 物质为 TiO2和 Cr2O3的混合物。 2）在 900 ℃～1000 ℃范围内，氧化增重急剧 增加，而温度超过 1000 ℃～1050 ℃时，氧化增重 虽仍随时间的增加而增加，但总量有所下降。 参考文献 [1] 赵永庆等. 稀有金属材料与工程[J], 1999, 28(2): 77 [2] 黄 旭等. 稀有金属[J], 2004, 28(1): 44 [3] 赵永庆等. 稀有金属材料与工程[J], 2001, 30(1): 35 High-Temperature Oxidation Behavior of the Ti40 Burn-Resistant Titanium Alloy Li Qian, Zhao Yongqing, Wu Huan, Yang Haiying (Northwest Institute for Nonferrous Metal Research, Xi’an 710016, China) a b c d 2 4 6 8 10 12 14 能量/keV O V Cr Ti Si Ti V Ti V CrCr b 强 度 /a .u . O V Cr Ti Ti V Ti V Cr C a 强 度 /a .u . Cr 2 4 6 8 10 12 14 能量/keV 18 24卷 Abstract: The oxidation behavior of burn resistant alloy Ti40 was investigated at the temperatures between 900 ℃~1050 ℃. The results show that with temperature increasing and time extending, at first oxide scale on the sample surface changed neatly, and then it shed off seriously, and the matrix surface present pale green color, which was identified to be compound of TiO2 and Cr2O3 after the energy spectrum analysis. The oxidizing dynamics curve at 900 ℃~1000 ℃ showed that the oxidation weight increased with temperature increasing. Although the weight of sample still increased as time passing by, its total amount decreased at the temperatures between 1000 ℃~1050 ℃. Key words: burn-resistant titanium alloy; oxidation; microstructure 信息与动态 3万吨海绵钛项目正式落户佳木斯 5月 15日下午，中国铝业公司及俄罗斯阿里阔姆公司与佳木斯市政府签订《中国铝业公司、阿里阔姆 公司合资建设海绵钛项目框架 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 》和《中国铝业公司、阿里阔姆公司与佳木斯市人民政府关于海绵钛项 目 合作协议 股东合作协议书模板免费下载合作协议下载三方合作协议下载合伙人合作协议书下载战略合作协议模板下载 》，此举标志着总投资约 40亿元人民币的 3×104 t海绵钛项目正式落户佳木斯。黑龙江省省委副 书记、常务副省长栗战书出席项目签约仪式，并分别会见了俄罗斯阿里阔姆公司董事长马斯洛夫斯基和中 国铝业公司党组书记、总经理肖亚庆一行。 栗战书代表黑龙江省委、省政府对俄罗斯阿里阔姆公司和中国铝业公司领导的到来表示欢迎，对双方 在佳木斯建设海绵钛项目达成意向表示祝贺。栗战书指出，近年来， 在中俄两国政府及领导人的倡导和支 持下，两国及地方间经贸合作不断深入和发展，特别是双方在能源、电力、石油、天然气开发、矿产资源 等重大领域的投资合作取得积极进展。一直以来，黑龙江省始终致力于改善投资环境，加强基础设施建设， 竭诚为广大客商提供优质服务。栗战书强调，海绵钛项目的引进是黑龙江省充分利用国际国内两个市场、 两种资源，积极引进战略投资者发展黑龙江经济的重大项目。他要求省市有关部门要全力支持海绵钛项目， 确保早日开工建设。 据了解，该项目利用俄方矿石，采用世界先进的乌克兰生产技术和工艺，设计规模为年产 3×104 t海绵 钛，项目分两期建设，一期年产 1.5×104 t，二期扩建到 3×104 t。总投资约 40亿元人民币，一期投资 22亿。 建成后将延伸钛的深加工，推动黑龙江省钛业开发梯度升级。 黑龙江省政府有关部门和佳木斯市负责同志出席了签约仪式。