《Applied Surface Science》：Humidity-mediated room-temperature NO
2 sensing using 2D SnS
2 nanoplates
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钛铝合金在纯硫酸钠和硫酸钠-氯化钠混合盐中的热腐蚀行为研究表明，Cl?引发自持反应导致腐蚀加剧，硫物种促进内硫化形成微孔结构，Nb既促进分层氧化物又加剧酸性溶解，温度升高显著加速腐蚀。
王学青|徐廷瑞|韩迪娟|侯瑞|齐志翔|曹玉德|陈光
江苏工业大学材料工程学院，中国常州213001
摘要
热腐蚀显著影响钛铝（TiAl）基部件在航空发动机环境中的使用寿命。本研究系统地比较了Ti45Al8Nb合金在900°C的熔融Na?SO?以及700–900°C的熔融Na?SO?–NaCl（75:25 wt%）环境下的热腐蚀行为。在相同的实验条件下，混合盐环境导致材料损失明显增加、腐蚀产物剥落严重以及微观结构损伤加剧，且腐蚀程度具有明显的温度依赖性。在纯Na?SO?环境中，会形成由Ti、Al和Nb富集相组成的致密多层腐蚀产物，其中Nb促进了分层氧化层的形成，从而抑制了腐蚀性物质的向内扩散。而在含NaCl的环境中，Cl?离子在金属-腐蚀产物界面引发自维持反应，降低了腐蚀产物的附着力并加速了材料的降解。同时，Nb参与了Al?O?的酸性溶解，而硫物种主要通过形成TiS促进了内部硫化作用，导致蚀坑的生成和加深。这些机制共同破坏了腐蚀产物，加剧了晶间腐蚀，使得材料降解速率显著提高。
引言
在高温服役环境中，航空发动机的热部件（尤其是涡轮叶片）不仅受到氧化气氛的影响，还会受到来自燃料、灰分或海洋气溶胶的腐蚀性盐类（如Na?SO?/K?SO?、Na?SO?/Na?VO?和NaCl/KCl）的沉积[1][2][3]。在高温下，这些盐类熔化并形成具有侵蚀性的熔融膜，破坏了保护性氧化层，导致氧化、硫化和氯化过程同时发生。由此产生的多孔且无保护性的腐蚀产物加速了材料降解，显著降低了部件的可靠性，使得热腐蚀成为800–1000°C下运行的燃气轮机部件的主要失效模式[4][5][6][7][8]。在实际的航空发动机应用中，广泛采用了热障涂层（TBC）系统来减轻热腐蚀和化学腐蚀的损害。然而，熔融盐和CMAS（CaO–MgO–Al?O?–SiO?）沉积物可能穿透涂层孔隙和微裂纹，在热循环过程中导致涂层降解和剥落[9][10][11][12][13][14]。因此，基体材料可能直接暴露在恶劣的热腐蚀环境中，这表明除了涂层保护外，提高基体合金本身的抗热腐蚀性能对于长期服役可靠性至关重要。
过去几十年中，由于钛铝基合金具有高熔点、优异的比强度以及较低的密度（3.9–4.2 g/cm3）[15][16][17][18]，它们作为高温航空航天应用的材料受到了越来越多的关注。特别是Ti-48Al-2Cr-2Nb合金被重点研究，作为超合金的潜在替代品，已成功应用于Genx?发动机的低压涡轮叶片[21][22][23]。然而，当暴露在750°C以上的温度时，TiAl合金容易形成附着力和致密性较差的TiO?–Al?O?氧化层，从而导致其抗氧化性能不足[24][25][26]。这一限制成为其在更极端环境中广泛应用的主要障碍。
尽管通过合金化和微观结构优化在提高TiAl合金的机械性能和抗氧化性能方面取得了显著进展[27][28][29][30]，但其在熔融盐诱导的热腐蚀下的降解行为仍知之甚少。大多数先前的研究集中在单一盐类环境（如Na?SO?或NaCl）[4]，而实际的航空发动机服役环境通常涉及多盐混合物（如Na?SO?–NaCl），这些混合物可能来源于海盐吸入或受污染的大气[31]。在这种混合环境中，硫和氯物种之间的相互作用会导致更严重的腐蚀。研究表明，氯引发的“自维持”反应通过促进Ti和Al的向外扩散而破坏了保护性氧化层[31][32][33]。然而，硫物种在促进内部降解和改变氧化层结构方面的作用尚未得到充分研究。
从合金设计的角度来看，已引入多种合金元素来提高TiAl合金的耐腐蚀性。例如，Si和Cr元素被认为可以增强腐蚀产物的致密性和附着力[1][34][35]，而Mn和V元素则倾向于形成低熔点氧化物（如V?O?），从而加速保护层的酸性溶解[36]。在这些元素中，Nb的作用仍存在争议。一方面，Nb可以稳定α?相并促进Nb富集氧化层的形成，从而增强氧化层的完整性[37]；另一方面，生成的Nb?O?可能促进Al?O?的酸性溶解，最终削弱腐蚀层[38]。因此，目前仍缺乏对Nb如何与盐化学成分和温度相互作用以影响腐蚀产物演变和降解机制的系统性理解。
本研究系统地研究了多晶Ti-45Al-8Nb合金在纯Na?SO?（900°C）和混合Na?SO?–NaCl（75:25 wt%）环境下的热腐蚀性能，这一温度范围与钛铝基涡轮热部件的预期服役条件直接相关。利用XRD、SEM和EDS对微观结构进行了详细分析，旨在阐明温度、盐化学成分和Nb参与对腐蚀机制和腐蚀产物稳定性的综合影响。
材料与化学试剂
本研究使用了名义成分为Ti-45Al-8Nb（百分比未给出）的钛铝基合金，采用真空感应炉制备。这些高Nb含量的钛铝合金的起始材料为高纯度元素，包括99.95%的Al锭、99.995%的Ti锭和99.995%的Nb锭。每个锭材熔化三次以确保成分均匀性。样品的热处理过程在超高纯度氩气氛围中进行，具体工艺参数如下：
钛铝合金的微观结构
图2展示了Ti45Al8Nb合金在热腐蚀测试前的光学显微镜（OM）图像。如图2a所示，高Nb含量的钛铝合金具有完全的层状微观结构。层状结构之间的边界清晰，层状物在单个晶粒内均匀分布。图2b展示了代表性的透射电子显微镜（TEM）图像及其对应的选区电子衍射（SAED）图案，证实了典型的α? + γ层状微观结构的存在。深色层状物为...
纯Na?SO?环境中Ti-45Al-8Nb合金的热腐蚀机制
热腐蚀是在熔融盐沉积（如Na?SO?和NaCl）存在下发生的加速氧化过程。这些盐类熔化后，会破坏合金表面形成的保护性氧化层，通过促进其溶解或破坏其稳定性来加速腐蚀过程。通常，腐蚀机制是由气体-盐界面或更显著的盐-合金界面处的化学相互作用驱动的。
结论
本研究比较了Ti45Al8Nb合金在900°C的纯Na?SO?环境以及700–900°C的75 wt% Na?SO? + 25 wt% NaCl混合熔盐环境下的热腐蚀行为。主要研究结果如下：
- (1)
在900°C时，Ti45Al8Nb合金在Na?SO?–NaCl环境中的质量损失和腐蚀速率是纯Na?SO?环境下的六倍以上，这突显了Cl?在加速降解中的关键作用。
CRediT作者贡献声明
王学青：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，方法验证，实验设计，资金申请，数据管理。
徐廷瑞：撰写 – 审稿与编辑，实验设计，资金申请。
韩迪娟：撰写 – 审稿与编辑，数据可视化，资金申请。
侯瑞：实验设计，数据管理。
齐志翔：撰写 – 审稿与编辑，研究指导，概念构思。
曹玉德：撰写 – 审稿与编辑，实验设计。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号5250010034、92463301、92163215、52571145）、江苏省自然科学基金（项目编号ZK20250285）以及常州市科技计划（项目编号CJ20250070和CJ20250075）的支持。
