合金介绍与高温氧化行为研究

1. 合金介绍

1.1 概述

GH3536是一种Ni-Cr-Fe基固溶强化型变形高温合金，在铸造领域对应牌号为K4536。该合金在900℃以下展现出中等水平的持久强度与蠕变强度，同时具备良好的抗氧化性、耐腐蚀性、冷热加工成形性和焊接性能。其应用领域广泛，特别适用于制造航空发动机燃烧室等需长期在900℃以下工作的部件，以及能在高达1080℃短时使用的高温部件。主要产品形态包括板材、带材、管材、棒材、锻件、环形件及精密铸件。

1.2 应用概况及特性

GH3536合金在国际上已被广泛应用于航空发动机及民用工业领域，我国亦成功将其应用于航空发动机燃烧室部件、蜂窝结构、扩散器、尾喷口等热端部件的制造。该合金的工艺特性显著，尤其是淬火过程中的冷却速度，对析出晶界脆性碳化物膜的形成具有重要影响。当固溶温度超过1175℃时，合金易在晶界形成碳化物膜，需特别控制。此外，长期时效处理会导致合金出现时效硬化现象，进而降低其塑性和高温强度。

2. 镍基高温合金GH3536箔材高温氧化与组织演变行为

2.5 组织变化规律与氧化机理

在GH3536箔材的高温氧化处理过程中，由于箔材厚度仅为50μm，元素在厚度方向上的扩散路径极短，因此析出相析出与表面氧化现象表现出显著的耦合效应。这种耦合作用源于两者均伴随元素的快速扩散。

· 400℃处理：初期微观组织变化甚微，500小时后晶界上可见M23C6、M6C等碳化物析出，但表面尚未检测到氧化产物。

· 600℃处理：晶界处开始析出M23C6、M6C等碳化物，并逐渐连接成网状结构且粗化。同时，在初次颗粒状析出相及晶界附近析出细小碳化物颗粒，孪晶界上也有M6C颗粒析出。此时，表面生成一层致密的Cr2O3氧化层，随处理时间延长而增厚，晶界处氧化尤为明显，因晶界是原子扩散的快速通道。Cr2O3层的形成有效阻挡了Ni、Fe等合金元素的外扩散及氧元素的内扩散。

· 800℃处理：晶界碳化物进一步粗化并转变为网状结构，部分碳化物长大为颗粒状，随后μ相在晶界碳化物附近形核并消耗碳化物长大成条带状。母相晶粒内部析出M23C6、M6C及σ相等颗粒状析出相，孪晶界上的M6C析出相由颗粒状变为短棒状并逐渐粗化。表面氧化层初期为Cr2O3，后转变为尖晶石氧化物(如NiCr2O4)，氧化层致密性随处理时间增加而降低，导致内部氧化加剧。为维持保护性氧化层的生成，晶界及近表面区域的Cr元素向表面扩散，影响富Cr析出相（如μ相）的析出位置，使其逐渐向箔材内部迁移。

研究结论

针对厚度为50μm的GH3536箔材，在大气氛围下经400℃、600℃、800℃分别处理100/300/500小时后的氧化行为与组织演变行为研究得出以下主要结论：

氧化动力学：600℃和800℃处理时，氧化动力学遵循抛物线规律，氧化速率分别为3.6823×10-15 g²/cm⁴/s和1.1858×10-13 g²/cm⁴/s。初期形成致密的Cr2O3氧化层，随处理温度和时间的增加，Cr2O3层致密性下降，晶界处氧化加剧，Ni、Fe元素扩散至氧化层表面形成NiCr2O4等尖晶石氧化物，且数量随氧化时间增加。

组织变化：400℃和600℃处理时组织变化较小，主要为晶界碳化物的析出与粗化；600℃处理500小时后，母相晶粒内部及孪晶界开始析出碳化物。800℃处理时组织变化显著，晶界析出相由网状碳化物转变为条带状μ相，母相晶粒内部析出多种碳化物及σ相。

耦合现象：800℃处理时，氧化层形成与析出相析出存在明显耦合。Cr元素在维持氧化层与析出相析出间的竞争扩散，导致晶界μ相析出位置的变化。