GH2909镍基合金在700℃的氧化行为标准
GH2909合金是以Fe-Ni-Co为基的低膨胀高温合金，主要用于制造航空发动机压气机机匣、涡轮隔热环、燃烧室蜂窝环等零件。由于合金中不含Cr、Al,因此合金的抗氧化性能比一般含Cr高温合金要低，并影响其使用寿命。为了改善GH2909合金的抗氧化性能，在合金中加入了稀土元素Y。本文主要研究添加稀土元素和未添加稀土元素其合金的氧化行为，以探讨合金的氧化机制及稀土元素对提高合金氧化能力的作用。
1试验材料与方法
试验用料为GH2909合金小炉料（未加稀土元素)和GH2909合金大炉料（加入稀土元素ω(Y)0.02%)，合金成分见表1。两炉合金分别加工成氧化试验试样，在600℃分别进行抗氧化试验，试验时间为100h、200h、300h、500h、1000h，测定不同时间的氧化增重。采用扫描电镜进行元素的面分布扫描;采用X射线分析氧化皮的结构。
2试验结果与讨论
2.1氧化层形貌和元素分布
图1、图2分别显示了两炉合金在700℃,1000h后扫描电镜下氧化层的形貌以及元素的面扫描分布。从氧化层形貌可以看出，两炉合金的氧化层都分为两层，外层为深灰色，是氧化产物﹔内层为浅灰色，是扩散层。大炉合金的外层较薄，约30μm，小炉合金的外层较厚，约为45μm;相反大炉合金的内层较厚，约为90μm，小炉合金的内层约50um。对比两炉合金的氧化层形貌，大炉合金的氧化层与过渡层的接触面不平整，从而增加了表面氧化层的附着力，同时使过渡层更加致密。元素的面扫描结果表明，外层主要含Fe和O，贫Ni和Nb，Co元素富集于氧化外层的外表面上;浅灰色的内层富Ni、Nb，贫Fe、Co。在含稀土元素的大炉合金中，Nb在内层的含量较高。O的分布显示，O主要富集在外层，且含量高于内层。
2.2氧化层的X射线分析
采用X射线对两炉合金的氧化外层和内层进行分析。对未处理的氧化层表面进行分析见图3。可以看出,两炉合金的外层产物基本相同,主要是CoFe2O4,Fe2O3和FeO。
2.3氧化动力学
测定了700℃下两炉合金的氧化增重并计算出氧化速率，氧化增重和氧化速率与时间的关系分别见图4、图5。
在图4中看出，合金在氧化前期其氧化增重均遵循抛物线规律，但500h后转为直线关系，小炉合金的氧化增重比大炉合金要高。从图5中可以看出，两炉合金的起始氧化速率都比较高，随后迅速下降，200h后趋于平缓。大炉合金在100h以前的氧化速率高于小炉合金，200h后小炉合金的氧化速率稍高于大炉合金。合金氧化增重的抛物线规律可用下式表达:
(△W/A)=Kpt+C (1)
式中,(△W/A)为单位面积的氧化增重;t为时间;Kp为抛物线氧化常数;C为积分常数。
将合金在抛物线规律的区域（0~500h)按公式(1）进行回归分析（图6)，图中直线段的斜率即为Kp(表2)。小炉合金的Kp高于大炉合金，说明添加稀土元素可以降低合金的氧化速率。
3分析和讨论
合金的氧化层主要是Fe、Co、O的富集区，这些合金的氧化物产物是Fe (Co)的氧化物，其中大部分是CoFe2O4和 FeO， Fe2O3的量较少。而形貌中的氧化内层，主要是Ni、Nb等元素的富集区，О的含量较低，他是表面氧化层与基体间的过渡层，在合金氧化过程中，Fe不断向基体外表面扩散，在外表面与氧反应生成氧化物，随着氧化时间的增加，Fe元素不断向外表面传送，氧化层与基体的交界处即形成一贫Fe区。可以认为，形成保护性的CoFe2O4是合金抗氧化的主要方式。
在氧化前期，两炉合金氧化呈抛物线规律，主要是由于形成了保护性的CoFe2O4;在500h后氧化转为直线规律，氧化速率完全由Fe的扩散所控制。虽然不含稀土元素的小炉合金在早期的氧化速率较低，但200h后其氧化速率超过含稀土无素的大炉合金。从两炉合金的氧化层和过渡层的厚度也可以看出，加入稀土元素可以改变氧化层的形貌,同时也改善了过渡层的组织，增加了氧化层的附着力;较厚的扩散过渡层极大地降低了Fe向外扩散的速度，也降低了由于Fe扩散引起的晶格缺陷，使氧化层致密。表现在动力学曲线上，含稀土元素的大炉合金的直线斜率明显比不加稀土的小炉合金低。稀土元素的存在可改善氧化过程中Fe元素的扩散行为，从而提高合金抗氧化性能。
4结论
(1）合金的氧化层形貌为外层的氧化物层和内层的扩散过渡层。添加稀土元素改善了氧化层与基体的附着力，并使其致密。
(2)合金氧化层的主要产物是CoFe2O4 和FeO，及较少量的 Fe2O3。
(3）合金在700℃的氧化动力学曲线的特点是前期为抛物线，后期为直线。添加稀土元素可降低GH2909合金在200h后的氧化动力学。
(4)稀土元素提高GH2909合金抗氧化性能实质是有效地降低了Fe向外层的扩散。
