＊劉威 王潤 華鵬 華大鳳 王樹平 邵興明

（1.江蘇新華合金有限公司 江蘇 225722 2.南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院 江蘇 210037）

本次研究的GH4169是沉淀強(qiáng)化型鎳基高溫合金，在高溫中具有良好的強(qiáng)度、塑韌性、抗腐蝕性、抗氧化性等綜合性能[1]，常應(yīng)用于核電彈簧和航天發(fā)動機(jī)中的高溫部件，具有較高的研究價值[2]。目前國內(nèi)外的許多學(xué)者主要研究GH4169合金力學(xué)性能的改善[3-6]，但目前對其抗氧化性的研究還較少，因此本文研究了經(jīng)過熱處理（960℃×1h+720℃×8h+620℃×8h）的GH4169合金的在650℃下的抗氧化性能和機(jī)理。

1.試驗(yàn)材料及方法

本次試驗(yàn)所用材料為江蘇新華合金有限公司經(jīng)真空熔煉+電渣重熔制得的GH4169合金，其具體成分如表1所示。

表1 合金元素含量表（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)和該合金的使用工況[7-9]，設(shè)計在650℃下氧化50h、100h、200h、400h、800h、1600h、2400h、3000h，研究了GH4169合金在650℃下的抗氧化性能。根據(jù)GB/T 13303—91標(biāo)準(zhǔn)將經(jīng)熱處理（960℃×1h+720℃×8h+620℃×8h）的GH4169合金加工后處理成30mm×10mm×4mm的標(biāo)準(zhǔn)氧化試樣，將其置于高溫處理后的坩堝內(nèi)，在高溫爐中進(jìn)行氧化試驗(yàn)，記錄氧化樣重量變化。使用布魯克D8 Advance X射線衍射儀測試氧化膜的主要物相，并利用ZEISS Merlin Compact、ZEISS Gemini SEM 500場發(fā)射掃描電子顯微鏡和配套的EDS能譜設(shè)備觀察氧化膜表面和截面形貌，分析物相的元素組成并研究抗氧化機(jī)理。

2.試驗(yàn)結(jié)果與分析

(1)氧化動力學(xué)分析

從圖1中可知，在650℃下，合金單位面積內(nèi)的氧化增重隨時間的延長呈現(xiàn)上升趨勢，但總體增重較小，并隨著氧化時間的延長，后期氧化增重迅速。在高溫下，抗氧化性能好的金屬的氧化規(guī)律往往符合拋物線模型，即隨著氧化時間的延長，合金單位面積內(nèi)的氧化增重速率逐漸趨于平緩。結(jié)合Vicent等人[10-11]的研究，對在650℃下單位面積內(nèi)氧化增重情況進(jìn)行非線性擬合，擬合函數(shù)選擇yn=knx，擬合后得出的具體擬合數(shù)據(jù)如表2所示。

圖1 GH4169合金在650℃下氧化增重的擬合結(jié)果

表2 GH4169合金在650℃條件下氧化增重的擬合結(jié)果

GH4169合金的氧化增重規(guī)律并沒有嚴(yán)格符合平方拋物線模型，根據(jù)Peng[12-13]研究，非線性擬合中的n值大小是反映影響氧化進(jìn)程的主要因素。根據(jù)表2并結(jié)合文獻(xiàn)[14]，氧化溫度為650℃時，n＜2，氧化進(jìn)程會受到多種因素的綜合影響如氧化膜的應(yīng)力、空洞和晶界等。非線性擬合中的Kn反映的是氧化進(jìn)程的反應(yīng)速率，Kn數(shù)值越大，表示氧化進(jìn)程中氧化膜的生長越快，主要受溫度影響。

(2)GH4169合金在不同溫度下的氧化膜形態(tài)及物相分析

根據(jù)圖2，從宏觀上可以發(fā)現(xiàn)GH4169合金在氧化進(jìn)程中表面會覆蓋了一層黑色的氧化膜，從微觀上看，氧化50h時，合金表面已經(jīng)形成了一層致密的氧化膜，但表面存在一些溝壑、孔洞。隨著氧化的進(jìn)行，缺陷漸漸消失，表面變得平整。合金表面800h后，表面形成了許多尖晶石顆粒，其化學(xué)成分為NiCr2O4[15]。

圖2 GH4169合金在650℃下保溫不同時間的氧化表面

由于NiCr2O4尖晶石的形成需要足夠的Ni和Cr離子濃度，因此主要形成在氧化膜與金屬基體交界處，但隨著氧化的進(jìn)行，這些尖晶石顆粒逐漸均勻布滿氧化膜表面，所以推斷出先形成的氧化膜不夠致密，導(dǎo)致基體不斷的提供Ni和Cr離子，導(dǎo)致了尖晶石的形成。分別對其進(jìn)行能譜測試，測試結(jié)果如表3所示。

表3 GH4169合金在不同時間的表面氧化物能譜測試結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

由表3可知，650℃下形成主要由Cr、Ni、Fe、Al、O構(gòu)成的氧化物，對氧化樣進(jìn)行XRD分析，分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 GH4169合金不同時間的氧化產(chǎn)物XRD測試結(jié)果

如圖3所示，GH4169合金在650℃下的氧化物主要有Cr2O3、Fe2O3、NiCr2O4、Al2O3。Cr的氧化物穩(wěn)定性要高于Fe的氧化物[16]，因此，會優(yōu)先形成以Cr、O元素為主的氧化膜覆蓋在合金表面。GH4169合金長期處于650℃的工作條件下工作，氧化膜的生長較為緩慢，離子的遷移能夠及時彌補(bǔ)氧化縫隙，在長時間的服役下能夠保證穩(wěn)定，氧化膜不易發(fā)生剝落，因此GH4169合金在650℃下長期服役的抗氧化性能較好。

如圖4所示，GH4169氧化膜分為內(nèi)、外兩層。在650℃下的氧化條件下，合金的外層氧化膜主要由Cr、Fe、Ni和O元素組成。結(jié)合圖3分析，外層氧化膜的主要物相為NiCr2O4。此溫度下形成的氧化物是非整比化合物，所以氧化介質(zhì)可以通過晶體中的離子空位進(jìn)一步滲入[17]，由于Al元素易于形成氧化物，因此在內(nèi)氧化層形成了Al2O3，內(nèi)外致密的氧化膜在650℃下保證了合金基體不受氧化介質(zhì)的侵蝕，保證了合金良好的抗氧化性。

圖4 GH4169合金在650℃下保溫不同時間的氧化截面的元素分布規(guī)律

從表4可知在650℃的氧化溫度下，GH6149合金的氧化膜隨時間的延長而變厚，但氧化膜較薄，并且沒有發(fā)現(xiàn)明顯的氧化侵蝕痕跡。氧化50h時，氧化膜的厚度僅為0.7μm。隨著氧化時間的增長，氧化膜的厚度上升幅度很小。直至氧化3000h，氧化膜的厚度才達(dá)到了2.18μm，反映了GH4169合金在650℃下具有優(yōu)異的抗氧化性能。

表4 GH4169合金在650℃下保溫不同時間的氧化膜厚度

3.結(jié)論

（1）GH4169合金在650℃下高溫氧化時，單位面積內(nèi)的氧化增重隨氧化時間的延長呈現(xiàn)上升趨勢，氧化動力學(xué)曲線模型更接近于平方拋物線模型。

（2）GH4169在650℃高溫氧化，表面覆蓋了一層致密氧化膜。氧化初期合金表面形成一層氧化膜，但是不夠致密。隨著氧化的進(jìn)行，氧化膜表面開始出現(xiàn)許多NiCr2O4尖晶石顆粒，并逐漸均勻布滿氧化膜表面。

（3）GH4169在650℃高溫氧化，形成的氧化層分為內(nèi)外氧化層，650℃下氧化反應(yīng)的主要氧化產(chǎn)物為NiCr2O4，外層氧化膜的主要物相為NiCr2O4。氧化膜的厚度隨時間延長一直呈現(xiàn)上升趨勢，但未出現(xiàn)剝落且沒有氧化侵蝕現(xiàn)象。