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1.4 镍基高温合金
1.4.1 镍基高温合金概况
当前广泛使用的高温合金是镍基高温合金，此外还有铁基高温合金和钴基高温合金。所有高温合金都含有多种合金元素，有时多达十几种。
镍基高温合金是以镍为基体 (含量一般大于50%)、在650～1000℃范围内具有较高的强度和良好的抗氧化、抗燃气腐蚀能力的高温合金。它是在Cr20Ni80合金基础上发展起来的，为了满足1000℃左右高温热强性(高温强度、蠕变抗力、高温疲劳强度) 和气体介质中的抗氧化、抗腐蚀的要求，加入了大量的强化元素，如W、Mo、Ti、Al、Nb、Co等，以保证其优越的高温性能。除具有固溶强化作用，高温合金更依靠Al、Ti等与Ni形成金属间化合物γˊ相(Ni3A1或Ni3T i等)的析出强化和部分细小稳定MC、M23C6碳化物的晶内弥散强化以及B、Zr、Re等对晶界起净化、强化作用。添加Cr的目的是进一步提高高温合金抗氧化、抗高温腐蚀性能。镍基高温合金具有良好的综合性能 ，目前已被广泛地用于航空航天、汽车、通讯和电子工业部门。随着对镍基合金潜在性能的发掘，研究人员对其使用性能提出了更高的要求，国内外学者已开拓了针对镍基合金的新加工工艺如等温锻造、挤压变形、包套变形等[1]。
由于特殊工作环境，镍基铸造高温合金的力学性能和抗氧化性能成为评价合金的重要技术指标，特别是合金抗氧化与抗腐蚀性能的研究受到愈来愈多的重视由于高温合金成分的复杂性，其氧化性能随合金化学成分的不同而干差万别。
镍基高温合金的热腐蚀形态往往包括一个位于表面氧化膜内侧，向合金基体内部延伸的内氧化物与内硫化物分布区，硫在热腐蚀过程中起着重要作用。
1.5高温合金的腐蚀行为研究概况
1.5.1 高温合金的氧化概况
作为高温下使用的金属材料主要有2点基本要求：一是要求有足够优异的高温力学性能；二是要求有足够好的抗高温腐蚀性能，与航空发动机相比，工业用燃气轮机工作环境更为苛刻，工作时间更长，即使在涂层条件下，叶片合金基体的抗高温氧化能力仍然是发动机设计和安全使用的关键依据之一[2]．由于高温合金成分的复杂性，导致其氧化行为很复杂，但通常仍以氧化动力学和氧化膜的变化来表征高温合金的抗氧化能力[3]。
氧化过程、氧化膜的形成，是影响高温腐蚀过程的重要环节。因此，氧化的研究在高温合金的腐蚀与防护领域有基础理论性意义[4～5]。
实践中，除少数贵金属外，几乎没有一种金属在高温环境工作时是稳定的，他们都在不同程度上遭受腐蚀（氧化）。因此，金属的高温腐蚀是腐蚀科学的重要组成部分[6]。
（1） 合金的内氧化
在氧化过程中，氧溶解到合金相中并在合金相中扩散，合金中的较活泼组元与氧反应在金属内部生成氧化物颗粒，这过程定义为内氧化。相应的，当硫，碳，氮等元素扩散到合金中产生硫化物，碳化物，氮化物等沉淀，发生内硫化，内碳化，内氮化等，这些过程也称之为广义的内氧化。
这里有一种简化的内氧化模型，模型适用于当合金中的B元素与氧原子相比可认为是不发生迁移的情况，这种模型示意图如图1.内氧化的深度为ξ，设溶解氧的浓度由金属/气体界面沿内氧化层线性下降，可以认为合金内部的氧浓度为零。
图1.1 A-B 二元低合金的内氧化简化模型
由于设B原子在合金中不迁移，内氧化层的生长仅与氧的扩散系数相关。在固定的时间内，内氧化层的深度与合金中的B的原子分数的平方根成反比。
内氧化不仅影响合金的腐蚀过程，而且影响合金的力学磁学等方面的性质，这一影响主要与氧化物的析出形态有关。从氧化物颗粒尺寸来看，它决定于在内氧化层前沿的生核速率和随后这些粒子的长大或粗化速率两者之间的相互竞争。从氧和溶质到达颗粒表面起到相邻的成核点作用，使溶质供应耗尽为止，成核长大的时间越长，内氧化物的颗粒越大。而后，可能发生颗粒的粗化，但这一现象暂时可以忽略。因而，那些有助于提高成核速度的因素，会减小颗粒尺寸，而有助于提高生长速率的因素会增大颗粒尺寸。