耿纪华 宁炳坤 陈永楠 王楠 赵秦阳 李宁 叶建林. Ti-Cu合金的高温氧化动力学及其表面组织应力演化规律[J]. 金属学报, DOI: 10.11900/0412.1961.2025.00045.

摘要 相关文章 Metrics 全文: PDF(3132 KB)   摘要:  为了明确Ti-Cu合金在高温条件下的氧化机制，本工作研究了Ti-14Cu合金在1000~1200 ℃下的氧化行为和氧化动力学，分析了其表面组织演化规律及应力分布特征。结果表明，随着温度升高，合金表面氧化层逐渐发展为多层结构。在1000~1200 ℃的温度范围内，经过5h的高温氧化后，合金的氧化速率逐渐从3.50 × 10-3 mg2/(cm4·h)上升至4.17 × 10-2 mg2/(cm4·h)。TiO2与α-Ti基体的热膨胀系数差异在氧化层中引入大的失配应力从而导致裂纹萌生并迅速扩展，这些裂纹可以作为O扩散的快速通道从而提高Ti-14Cu合金的氧化速率，因此氧化行为的主导因素逐渐由元素扩散转变为界面反应。分子动力学模拟结果表明，氧化层内部主要受到拉应力作用，而基体/氧化层界面附近则以混合拉/压应力为主。高温氧化过程中，TiO2与α-Ti基体之间形成大量的半共格界面，其具有较差的晶格匹配度，这提高了基体/氧化层界面的结构无序度和原子势能。此外，1200 ℃氧化处理后氧化层内侧形成了薄且致密的富Cu层，这有效阻碍了裂纹扩展并提高了合金的抗氧化能力。 关键词 ： 钛合金,  高温氧化,  微观组织,  氧化动力学,  拉伸性能     Abstract： Understanding the evolution of oxidation in Ti alloys under high-temperature conditions is crucial for enhancing the long-term service stability of engineered components. In this study, the high-temperature oxidation behaviour and kinetics (1000‒1200 °C) of Ti‒14Cu alloys were investigated, and the evolution of microstructural stress on the alloy surface and the oxidation mechanism were clarified. The results demonstrated that the oxide layers on the alloy surface gradually evolved into a multi-layer structure with increasing temperature. After oxidation treatment for 5 hours, the oxidation rate increased from 3.50 × 10-3 mg2/(cm4·h) at 1000 °C to 4.17 × 10-2 mg2/(cm4·h) at 1200 °C. The significant residual stress generated by the difference in the thermal expansion coefficient of TiO2 and that of the α-Ti matrix induced rapid crack initiation and propagation in the oxide layer. These cracks act as rapid diffusion pathways for oxygen, thereby accelerating the oxidation rate of the Ti–14Cu alloy. Consequently, the dominant factor governing oxidation shifted from elemental diffusion to interfacial reactions. Molecular dynamics simulations revealed that tensile stress was concentrated within the oxide layer, whereas a combination of tensile and compressive stresses developed at the matrix/oxide layer interface. A large number of semi-coherent interfaces were formed between TiO2 and the α-Ti matrix during high-temperature oxidation, leading to enhanced structural disorder and elevated atomic potential at the matrix/oxide layer interface. Furthermore, a thin and dense Cu-rich layer formed on the inner side of the oxide layer after oxidative treatment at 1200 °C, effectively suppressing oxygen diffusion and inhibiting crack propagation. Key words： Titanium alloy    High-temperature oxidation    Microstructure    Oxidation kinetic    Tensile property 收稿日期: 2025-02-17      基金资助:国家自然科学基金;陕西省科技创新引导专项“三项改革”;秦创原平台团队建设项目;秦创原平台团队建设项目;陕西省重点研发计划;陕西省稀有金属装备制造共性技术研发平台项目 服务 把本文推荐给朋友 加入引用管理器 E-mail Alert RSS 作者相关文章 耿纪华 宁炳坤 陈永楠 王楠 赵秦阳 李宁 叶建林 44.8K 链接本文: https://www.ams.org.cn/CN/Y0/V/I/0 [1] 王洪瑛, 姚志浩, 李大禹, 郭婧, 姚凯俊, 董建新. 高 γ' 相含量粉末及变形高温合金组织和力学性能的异同性[J]. 金属学报, 2025, 61(9): 1364-1374. [2] 谭若涵, 宋永锋, 陈超, 李丹, 成庶, 李雄兵. 增材制造钛合金等效弹性张量的细观力学建模与实验研究[J]. 金属学报, 2025, 61(9): 1438-1448. [3] 肖文龙, 臧晨阳, 郭锦涛, 冯佳文, 马朝利. 基于原位电阻法的7A65铝合金厚板双级时效工艺[J]. 金属学报, 2025, 61(8): 1153-1164. [4] 吴泽威, 颜俊雄, 胡励, 韩修柱. 双峰分离非基面织构AZ31镁合金板材反常中温轧制变形行为及机理[J]. 金属学报, 2025, 61(8): 1165-1173. [5] 张洺川, 徐勤思, 刘意, 蔡雨升, 牟义强, 任德春, 吉海宾, 雷家峰. 热压温度对TC4合金扩散连接区组织与性能的影响[J]. 金属学报, 2025, 61(8): 1183-1192. [6] 范荣磊, 陈明和, 吴迪鹏, 武永. 基于晶体塑性模型预测TA32钛合金损伤及高温成形极限[J]. 金属学报, 2025, 61(8): 1293-1304. [7] 谢旭, 万一博, 钟明, 邹晓东, 王聪. CaF2-TiO2 焊剂作用下EH36船板钢气电立焊焊缝金属组织优化及力学性能调控[J]. 金属学报, 2025, 61(7): 998-1010. [8] 孙欢腾, 马运柱, 蔡青山, 王健宁, 段有腾, 张梦祥. fcc和bcc钢板在超高速撞击下的微观组织差异[J]. 金属学报, 2025, 61(7): 1011-1023. [9] 李永梅, 谭子昊, 王新广, 陶稀鹏, 杨彦红, 刘纪德, 刘金来, 李金国, 周亦胄, 孙晓峰. 一种低成本第三代单晶高温合金的高温氧化行为[J]. 金属学报, 2025, 61(7): 1049-1059. [10] 郝旭邦, 程伟丽, 李戬, 王利飞, 崔泽琴, 闫国庆, 翟凯, 余晖. 低合金化Mg-Ag镁空气电池阳极材料的电化学行为和放电性能[J]. 金属学报, 2025, 61(6): 837-847. [11] 刘子儒, 郭乾应, 张虹雨, 刘永长. V添加对Ti2AlNb合金组织演变及硬度的影响[J]. 金属学报, 2025, 61(6): 848-856. [12] 赵焯雅, 孟令健, 林鹏, 曹晓卿. TC4钛合金跨相区连续热压缩 α 相组织演变规律及织构形成机理[J]. 金属学报, 2025, 61(5): 717-730. [13] 杨明辉, 李星吾, 孙崇昊, 阮莹. 定向凝固与固态相变双联协控下Monel K-500合金的组织和力学性能[J]. 金属学报, 2025, 61(4): 561-571. [14] 蒋斌, 张昂, 宋江凤, 黎田, 游国强, 郑江, 潘复生. 镁合金一体化压铸缺陷控制[J]. 金属学报, 2025, 61(3): 383-396. [15] 黄科, 李新志, 方学伟, 卢秉恒. 镁合金电弧熔丝增材制造技术研究现状与展望[J]. 金属学报, 2025, 61(3): 397-419. Viewed Full text Abstract Cited   Shared      Discussed