氧化实验步骤

3．3氧化实验

从钮扣状样品上线切割下尺寸为10×IOX3mm 的片状试样，首先将试样双面在金相预磨机上水磨，水磨砂纸从粗到细，一直到1000#Ah03水磨砂纸，然后在金相砂纸上从1#到5#进行细磨：最后在高速抛光机上抛光，使用的是Cr203磨料和水的乳液。腐蚀剂选用氢氟酸和水溶液，浓度和腐蚀时间随材料的不同而变化。将腐蚀好的试样在丙酮和酒精中清洗，再在烘箱中烘干后，用螺旋测微器测量试样尺寸，并用精度为0．1mg 的电子天平称试样的原始重量。制备好的试样，其中每种成分、每个氧化温度下取三个试样在实验室静止空气中进行恒温氧化试验，以便进行氧化动力学分析。氧化温度分别为823、873和923K 非连续恒温氧化300 h ，每恒温氧化2，5，10，15，20，50，100，200，300 h 后将坩埚从炉中取出，在干燥室中冷却至室温，连同坩埚用精度为O ．1mg 的电子天平称重，每一样品称重三次，取平均值，然后放入炉中继续氧化。

3．4试样截面金相分析

金相分析实验是研究金属材料热处理质量常用的分析手段，它能反映出金属

材料中的显微组织。钢铁热处理时的氧化往往伴随着表面脱碳现象的发生，表面

脱碳现象将给钢铁材料的机械性能和耐腐蚀性能带来不良影响。根据显微组织的

差别可以判断金属材料脱碳层深度，从而对比其表面质量的好坏。因此该实验可

以间接反映出涂层的保护效果。

2.3 高温氧化试验

2.3.1 试样制备

将烧结体线切割成5×5×30mm 的块状毛坯，经砂轮打磨、研磨、抛光，再

用酒精在超声波清洗器中清洗30min，之后置于80℃干燥箱中干燥，每隔5 个

小时，在AY-120(精度为万分之一克)分析天平上称量一次，直至前后称量差别不超过0.0001g。

2.3.2 坩锅的焙烧

准备坩锅若干只，用清洁纱擦净，并标记。放入普通箱式电阻炉中，在

1000℃下焙烧5 小时后取出。冷却至室温后，再次放入炉中焙烧5 小时，照此方法操作4 次。

2.3.3 实验过程

将试样分别放进事先作好标记的坩锅内，采用分析天平称量不同时间内试

样的氧化增重质量。

本实验采用恒温氧化法，在750℃静态空气中氧化，恒温氧化实验依据

GB/T13303-91《钢的抗氧化性能测定方法》及参考HB5258-2000《钢及高温合

金抗氧化性能测定试验方法》标准进行。高温氧化性能试验在高温箱式加热电阻炉8X-4-11 内进行。当温度升高至750℃时开始计时，并在0h、5h、10h、

15h、20h、25h、30h、40h、50h、60、80h、100h 时间点取出试样，冷却室温后称量试样质量。

赵能伟,郑勇,刘林艳等.Ti(C，N)基金属陶瓷力学性能和高温抗氧化性能的研究[J].硬质合金,2007,24（3）.

文研究了加不同比例的TaC、NbC对Ti(C，N)一NiMo系金属陶瓷的力学性能的影响及在750℃空气中的氧化行为．测定并计算了恒温氧化增重与时问的函数关系及氧化速率常数。结果表明，这类陶瓷材料的氧化为“钝性氧化。

2．2高温氧化试验

图4表示1450℃烧结温度下所得试样A1、A2、A3、A4在750℃空气中氧化100 h单位面积氧化增重曲线。从图中可以看出，试样A1、A2、A3、A4在氧化前20 h内，氧化增重较明显，后80 h氧化增

重较为缓慢，氧化增重与氧化时间的平方根成正比，即Am与时间t之间符合抛物线规律，说明这类材料的氧化为“钝性氧化”，即氧化初期氧化速度较快，增重较为明显，随着氧化膜的形成和膜厚度的增加，氧化速率趋于缓慢。经比较可以看出，试样A2的单位面积氧化增重明显低于其他试样的氧化增重，说明TaCfNbC质量比为4：3时有助于提高Ti(C。N)

基金属陶瓷的高温抗氧化性能。

2．3氧化膜物相分析与元素分布对试样A2在氧化前后进行x射线衍射，并对氧化试样的横截面进行SEM一线扫描能谱分析，其结果如图5所示，x射线衍射结果见图6。从图5(b)中可以看出，试样的氧化层厚度约为15 p,m，界面明显可分为氧化层、过渡层和基体。图5(a)中可以看出氧含量由表及里依次递减，氧化层含有较高的n和Ni，过渡层则含较多的cr，表明在氧化过程中，对氧有很强亲和力的Ti、Ni向表面扩

散，优先氧化形成富Ti、富Ni的氧化物．XRD实验结果图6函)证实有Ti02、NiO、NiTi03。Cr元素则在过渡层富集，这是由于n 与Ni在表面氧化形成了一层复合氧化层，这些氧化物在氧化过程中交互生成长大，彼此镶嵌，构成致密的氧化膜，且与基体结合牢固．对基体金属离子Cr、Mo等由内向外扩散有很强的阻挡作用。同时也阻碍氧离子由外向内扩散，起到抗氧化作用。氧化速率受氧通过氧化膜的扩散速率所控制，扩散速率又由氧化温度和氧的分压决定[1]．若提高温度和氧的分压，则能大大增强氧扩散能力，使得氧能够渗透表面氧化层与Cr发生反应，生成氧化铬致密保护层。由于氧化铬具有与氧化铝相同的晶体结构，其氧化层更为致密，更能有效地阻止氧离子的扩散”[2]，因此．若能形成氧化铬保护层，则能大大提高金属陶瓷的高温抗氧化性能。

换而言之，Ti(C，M基金属陶瓷在更高温度和氧分压下仍能具有较好的抗氧化性能。

2．4氧化动力学与机制

分析结果相符。

由图4可知，该金属陶瓷的氧化增重与时间的

变化遵守经典的抛物线动力学方程：

K t分别是氧化增重质量、表面积、速率常数及时间，其

中K=Kvexp(-E／RT)

但是激活化能；R、T分别是理想气体常数及绝对温度)这些抛物线动力学规律表明氧化形式为速率扩散。

骆合力, 李尚平, 冯涤等.碳化铬/ Ni3 Al 复合材料的高温抗氧化性能[J].航空材料学报，2007,27(2).

实验方法

然后通过线切割在焊层上切取5mm X 20mm X 20mm 的试样，经金相磨抛光后，放入Al2O3陶瓷坩锅中在大气环境中进行1000C的氧化试验，陶瓷坩锅事先经1200C预烧以保证坩锅在氧化试验过程中保持恒重。分别对氧化25，50，75 和1001 后的试样称重，并取3 个试样的

平均值计算氧化速率。利用扫描电镜（日立S-4300）观察焊层氧化试样表面与剖面微观组织形貌并进行能谱分析

另外，对于耐磨材料来说，氧化膜与基体的结合情况对材料的耐磨性非常重要，如果氧化膜与基体结合力差而易于剥落，则剥落的氧化物将作为磨粒加速材料的磨损。为此，本研究除了考察材料氧化增重外，还重点研究分析氧化膜与基体的结合情况

实验分析

其次，氧化膜内应力不同，导致不同的氧化膜开裂与剥落倾向。PiIIing 和Bedwort1 提出金属原子与其氧化物分子的体积比PBR（PBR =V0x / V M），其中V M为1moI 金属的体积，V0x 为生成的氧化物体积）作为氧化膜完整性和致密性的判据，如果PBR < 1，氧化物不能完全覆盖金属表面，氧化膜不具保护性；如果PBR31，可形成完整致密和具有保护性的氧化膜；如果PBR＞l，由于体积比过大，氧化膜中内应力大，当应力超过氧化膜的结合强度，氧化膜开裂与剥落［3］

第26 卷第6 期

2006 年12 月

张宁,林均品,王艳丽等. 合金元素Y 对高铌TiAl 高温合金长期抗氧化性的影响[J]. 航空材料学报2006,26(6).

适量Y 元素的加入可以细化氧化物颗粒，促使合金表面形成连续Al2O3保护膜，提高氧化膜与合金基体的粘附性，从而提高高铌TiAl 合金的高温长期抗氧化性。