《Materials Science and Engineering: A》：New insights into microstructural evolution and hot salt stress corrosion mechanisms of a Ti-45Al-5Nb alloy
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Ti-45Al-5Nb合金在750℃ NaCl-Na2SO4混合盐环境中的高温应力腐蚀行为及机制研究。通过整合显微结构表征与热力学计算，揭示了表面缺陷作为应力集中点的脆性断裂机制，腐蚀沿 lamellar 界面优先扩展并呈现 α2 相选择性腐蚀。腐蚀产物包含多层级结构：外层多孔氧化物、致密保护层、混合层、氮化物层及内层硫化物层。氯离子挥发形成物理通道，二氧化硫原位脱氧释放硫元素引发内硫化，氧贫化促进 Ti2AlN 形成演化。首次通过 FIB-TEM 和 FFT 分析证实 γ-Al2O3 转化机制，建立动态腐蚀演变模型。
余凌辉|李晴晴|杨丽媛|冯欣|丁先飞|张强|江文明
华中科技大学材料科学与工程学院材料加工与模具技术国家重点实验室，武汉，430074，中国
摘要
极端服役环境的特点是高温、高应力和化学腐蚀的协同作用，这一直是限制TiAl合金广泛应用的关键瓶颈。本研究系统地研究了Ti-45Al-5Nb合金在750°C、NaCl-Na?SO?混合盐介质中的热盐应力腐蚀（HSSC）行为。通过结合深入的微观结构表征和热力学计算，建立了一个连接宏观失效和晶体相演化的力学模型，为Ti-45Al-5Nb合金的微观结构演变和HSSC机制提供了新的见解。HSSC引起的表面缺陷成为应力集中源，使抗拉强度和延伸率分别降低了约10%和45%，加剧了脆性断裂的风险。腐蚀传播表现出明显的“界面偏好”和“相选择性”：层状界面作为扩散通道；由于α?-Ti?Al相的内在尺度脆弱性和严重的活性氧化，该相比γ-TiAl相更易受到攻击。微观结构表征揭示了一种复杂的腐蚀结构，包括外层多孔氧化物、致密保护层、混合层、氮化层和内层硫化层。结合热力学分析，阐明了动态演化机制：氯物种通过挥发作用动力学地打开了物理通道；侵入的SO?在腐蚀前沿发生原位脱氧，释放出元素硫引发内部硫化；氧气耗尽导致Ti?AlN的形成。关键的是，亚稳态γ-Al?O?的鉴定首次为挥发性氯化物的快速气相沉积提供了直接的晶体学证据，证实了活性氧化是多孔腐蚀层形成的主导因素。此外，外向阳离子流与内向阴离子流之间的严重不平衡导致了连续的孔洞形成。
引言
基于TiAl的合金因其低密度、高比屈服强度和优异的高温蠕变抗力而受到广泛关注，适用于航空航天领域，如先进的高超音速发动机和燃气轮机[[1], [2], [3]]。通用电气的高推力GEnx喷气发动机中TiAl合金在低压涡轮叶片的成功应用——实现了转子组件重量约50%的减轻，并显著提高了燃油效率——进一步推动了这一领域的研究热情[4]。然而，TiAl合金的广泛应用仍受到航空航天发动机所面临极端服役环境的限制，这些环境的特点是高温、高应力和化学腐蚀的综合作用。特别是在海洋环境中，机械载荷和腐蚀介质的协同作用往往会导致这些合金的耐腐蚀性急剧恶化[5,6]。
在海洋环境中服役时，大气中的盐分和含硫燃烧气体在高温下反应形成熔盐，如NaCl和Na?SO?，这些熔盐沉积在涡轮叶片表面。由于Ti和Al的化学活性相似，TiAl合金通常无法在这种严酷的熔盐环境中维持连续的保护性Al?O?腐蚀层[7,8]。相反，在氯诱导的活性氧化和酸性/碱性物质的协同作用下，往往会形成非保护性的多孔混合氧化物腐蚀层[9,10]。此外，NaCl通过自持续的氯化-氧化循环显著加速了材料降解，导致严重的质量损失[11,12]。赵等人[13]进一步发现了TiAl合金层状微观结构中的相选择性腐蚀现象，表现为沿层状界面的腐蚀传播和α?相的优先溶解。
然而，现有的研究主要集中在没有外部载荷条件下TiAl合金的“静态”热腐蚀行为[14,15]。在实际服役中，涡轮叶片受到巨大的离心载荷。应力场与化学腐蚀场的耦合——称为热盐应力腐蚀（HSSC）——导致的退化情况与静态腐蚀不同[16,17]。施加的应力加速了热盐腐蚀物质的扩散，并导致氧化层的破裂，从而显著影响断裂行为并缩短了使用寿命[18,19]。此外，在机制探索方面，以往的研究主要依赖于SEM和EDS对微米级腐蚀产物的形态和成分分析，缺乏对复杂内部腐蚀层的晶体学表征。因此，腐蚀前沿的相变演变和部分压力梯度下的热力学分层机制仍不清楚。缺乏相应的晶体学证据限制了对材料失效机制的精确解释。
本文研究了Ti-45Al-5Nb合金在750°C、95 wt% Na?SO? + 5 wt% NaCl混合盐环境中的热盐应力腐蚀行为。评估了HSSC对合金机械性能的影响，并深入分析了其失效原因。值得注意的是，通过聚焦离子束（FIB）剥离结合透射电子显微镜（TEM）对TiAl合金表面的热盐腐蚀层进行了精细表征。结合系统的反应热力学计算，建立了一个系统的微观结构演变模型，描述了从γ-TiAl/α?-Ti?Al层状微观结构向复杂分层腐蚀产物的转变过程，为Ti-45Al-5Nb合金的微观结构演变和HSSC机制提供了新的见解。
材料与试样
本研究研究的材料是一种基于γ-TiAl的合金，其名义组成为Ti-45Al-5Nb（at.%）。圆柱形拉伸试样由合金锭加工而成，具体尺寸如图1(b)所示。测试前，试样表面依次使用碳化硅（SiC）砂纸打磨至2000目。随后，样品分别在丙酮和乙醇中超声清洗5分钟，以去除表面杂质
TiAl合金的初始微观结构
如图2(a)–(f)所示，Ti-45Al-5Nb合金呈现出近似层状微观结构。层状结构由α?-Ti?Al和γ-TiAl相组成（见表1）。图2(g)和(h)展示了层状结构中α?/γ界面的高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像。如图2(h)的FFT衍射图所示，该区域由L1?型有序四方γ-TiAl相和D0??型有序六方α?-Ti?Al相组成[21]。HRTEM图像显示...
微观结构依赖的腐蚀行为
在750°C的高温环境下，热盐和应力的协同作用在TiAl合金表面引发了腐蚀坑和潜在裂纹的形成。这些缺陷促进了应力集中，导致机械性能显著下降[26]。
结论
系统研究了Ti-45Al-5Nb合金在750°C下的HSSC行为。与以往主要依赖SEM形态和EDS元素映射的现象学研究不同，本研究采用了多尺度TEM技术（包括HRTEM成像和FFT分析）实现了腐蚀层的精确晶体学鉴定。结合系统的热力学计算，构建了一个精细的腐蚀机制模型。主要结论是...
CRediT作者贡献声明
余凌辉：撰写——原始稿件，实验研究，数据分析。李晴晴：软件开发，实验研究。杨丽媛：实验研究，数据分析。冯欣：实验研究。丁先飞：实验研究。张强：实验研究。江文明：撰写——审稿与编辑，监督，资金获取，概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
作者衷心感谢国家自然科学基金（项目编号52271102和52075198）、湖南省科技创新计划（项目编号2025RC4047）以及华中科技大学分析测试中心提供的支持。
