Isothermal Oxidation Behavior of Nickel-based Superalloy U720Li in Different Oxidation Stages at 750 ℃

doi:10.20057/j.1003-8620.2023-00093

Abstract

Abstract: The increasing service temperature of aero-engine turbine discs makes more stringent requirements for oxidation resistance of the materials. U720Li alloy is a high-strength nickel-based superalloy for turbine discs with a long-term service temperature up to 750 ℃. Clarifying the oxidation behavior at service temperatures of this alloy is of great significance for improving the service life of high-performance turbine discs. In this paper， the oxidation kinetics curve of forged U720Li alloy at 750 ℃ has been determined by the static weight gain method， and the oxide film morphology， structure and element distribution in different oxidation stages were analyzed by XRD and SEM-EDS. The results show that the U720Li alloy has excellent oxidation resistance at its service temperature， and its isothermal oxidation kinetic curve at 750 ℃ basically follows the cubic law， reaching the full anti-oxidant level. It has been analyzed that the loose γ-Cr₂O₃ is generated at the early oxidation stage of U720Li alloy. The γ-Cr₂O₃ layer spalls continuously as the oxidation proceeds， and the oxide film becomes more continuous and dense and forms a complex multilayer structure. Meanwhile， a γ´ depleted layer is gradually formed within the matrix nearby the oxide film. In the stable oxidation stage， the oxide film becomes more continuous and dense， forming a regular double-layer structure which includes the dense α-Cr₂O₃ outer layer and α-Al₂O₃ inner layer. The formation of continuous dense α-Cr₂O₃ and α-Al₂O₃ layers can effectively prevent the internal diffusion of oxygen and external diffusion of alloying elements， which guarantees the excellent oxidation resistance of U720Li alloy.

Key words: U720Li Alloy, Oxidation Behavior, Oxide Film, γ′ Depleted Layer, Service Temperature

摘要： 航空发动机涡轮盘服役温度的不断升高，对材料的抗氧化性能提出了更严苛的要求。U720Li合金是一种具有较高承温能力的涡轮盘用镍基高温合金，其长期服役温度高达750 ℃。阐明该合金在服役温度下的氧化行为，对延长涡轮盘的服役寿命具有重要意义。本文采用静态增重法测定了锻态U720Li合金在750 ℃的氧化动力学曲线，用XRD、SEM-EDS等手段分析了不同氧化阶段的氧化膜形貌、结构及元素分布。结果表明，U720Li合金在其服役温度下具有优异的抗氧化性能，在750 ℃的恒温氧化动力学曲线大致遵循立方规律，达到了完全抗氧化级别。分析认为，U720Li合金在氧化初期生成了疏松的γ-Cr₂O₃，随着氧化的进行，γ-Cr₂O₃层不断剥落，氧化膜变得更加连续致密并形成复杂多层结构，且在氧化膜附近基体内形成γ´贫化层。在稳定氧化阶段，氧化膜更加连续致密并形成规整的双层结构，包括致密的α-Cr₂O₃外氧化层和α-Al₂O₃内氧化层。连续致密的α-Cr₂O₃和α-Al₂O₃层的形成能够有效阻止氧的内扩散及合金元素的外扩散，保障了U720Li合金的优异抗氧化性能。

关键词: U720Li合金, 氧化行为, 氧化膜, γ′贫化层, 服役温度

CLC Number:

TG146.1-5

Qin　Mozhou, Zhao　Guangdi, Wu　Jinjiang, Zhao　Yuanyuan, Wang　Guoan. Isothermal Oxidation Behavior of Nickel-based Superalloy U720Li in Different Oxidation Stages at 750 ℃[J]. Special Steel, 2024, 45(1): 12-17.

秦墨周, 赵广迪, 武金江, 赵媛媛, 王国安. 镍基高温合金U720Li在750 ℃不同氧化阶段的恒温氧化行为[J]. 特殊钢, 2024, 45(1): 12-17.

References

［1］ Reed R C. The Superalloys： Fundamentals and Applications［M］. Cambridge ， UK： Cambridge University Press， 2006
［2］ Sims C T， Stoloff N S， Hagel C W. Superalloys II［M］. John Wiley & Sons， New York，1987.
［3］ Kim S E， Jackson M P， Reed R C， et al. Quantification of the minor precipitates in UDIMET™ alloy720 （LI） using electrolytic extraction and X-ray diffraction［J］. Materials Science and Engineering： A， 1998， 245（2）： 225-232.
［4］ Zhao G D， Yu L X， Yang G L， et al. The role of boron in modifying the solidification and microstructure of nickel-base alloy U720Li［J］. Journal of Alloys and Compounds， 2016， 686： 194-203.
［5］曾莉，王斌，徐梅，等. 硼对奥氏体不锈钢高温氧化性能的作用机理［J］. 特殊钢， 2023， 44（2）： 61-64..
［6］江河，董建新，张麦仓，等.800 ℃以上服役涡轮盘用难变形镍基高温合金研究进展［J］.航空制造技术，2021，64（S1）：62-73.
［7］ Jiang R， Reed P A S. Critical Assessment 21： oxygen-assisted fatigue crack propagation in turbine disc superalloys［J］. Materials Science and Technology， 2016， 32（5）： 401-406.
［8］金一标，姚钰明，李亚军，等. 300 kg真空感应炉熔炼08Cr9CoMo钢的氧含量研究［J］. 特殊钢， 2021，42（6）： 19-24.
［9］ Xu C， Yao Z H， Dong J X， et al. Mechanism of high-temperature oxidation effects in fatigue crack propagation and fracture mode for FGH97 superalloy［J］. Rare Metals， 2019， 38（7）： 642-652.
［10］ Tucker A M ， Henderson M B ， Wilkinson A J ， et al. High temperature fatigue crack growth in powder processed nickel based superalloy U720Li［J］. Materials Science and Technology， 2002， 18（3）：349-353.
［11］ Giggins C S . Oxidation of Ni-Cr-Al Alloys Between 1 000 ℃ and 1 200 ℃［J］. J. Electroch-emSoc， 1971， 118（11）：1782-1790.
［12］ Amaro R L， Antolovich S D， Neu R W， et al. High temperature oxidation and γ′ depletion in the single-crystal superalloy PWA 1484［J］. Materials at High Temperatures， 2016， 33（4-5）： 476-488.
［13］ Leo Prakash D G， Walsh M J， Maclachlan D， et al. Crack growth micro-mechanisms in the IN718 alloy under the combined influence of fatigue， creep and oxidation［J］. International Journal of Fatigue， 2009， 31（11-12）： 1966-1977.
［14］杜金辉，赵光普，邓群，等. 中国变形高温合金研制进展［J］. 航空材料学报， 2016， 36（3）： 27-39.
［15］ Jackson M P， Reed R C. Heat treatment of UDIMET 720Li： the effect of microstructure on properties［J］. Materials Science & Engineering A， 1999， 259（1）：85-97.
［16］ Pollock T M， Tin S. Nickel-based superalloys for advanced turbine engines： chemistry， microstructure and properties［J］. Journal of propulsion and power， 2006， 22（2）： 361-374.
［17］ Martin R， Evans D. Reducing costs in aircraft： the metals affordability initiative consortium［J］. JOM， 2000， 52（3）： 24-28.
［18］ Zhao G D， Zang X M， Qi F. Effect of boron on isothermal oxidation behavior of a nickel-base superalloy with high Al and Ti contents［J］. Journal of Alloys and Compounds， 2020， 846： 156490.
［19］王民庆，曲敬龙，殷铁志，等. GH4720Li 合金高温氧化行为研究［J］. 钢铁研究学报， 2010， 22（9）：28-33.
［20］ Wu Y， Narita T. Oxidation behavior of the single crystal Ni-based superalloy at 900 ℃ in air and water vapor［J］. Surface and Coatings Technology， 2007， 202（1）：140-145.
［21］吴梅柏，郭喜平. 铌硅化物基超高温合金与石墨坩埚氧化物涂层反应的热力学分析［J］. 稀有金属与硬质合金， 2007， 35（1）： 5-9.
［22］ Furrer D U， Fecht H J. γ′ formation in superalloy U720LI［J］. Scripta Materialia， 1999， 40（11）： 1215-1220.
［23］赵广迪，臧喜民，李万明，等. B对一种高Al+ Ti镍基高温合金氧化行为的影响［J］. 稀有金属材料与工程， 2020， 49（6）：2109-2117.
［24］曹将栋. 提高镍基高温合金抗氧化腐蚀性能的实验及理论研究［D］. 镇江：江苏大学， 2018
［25］ Watari F， Cowley J M. The study of oxide formation on （001），（011），（111） and （113） surfaces of Cr thin films using STEM-microdiffraction methods［J］. Surface Science， 1981， 105（1）： 240-264.
［26］ Chyrkin A， Pillai R， Galiullin T， et al. External α-Al2O3 scale on Ni-base alloy 602 CA. - Part I： Formation and long-term stability［J］. Corrosion Science，2017，124（Aug.）：138-149.
［27］刘立，赵俊学，李献民，等. CaF2-CaO-Al2O3-SiO2-MgO五元渣的表面张力及其在镍基合金电渣重熔的应用［J］. 特殊钢， 2015， 36（6）： 20-22.
［28］ Jalowicka A， Nowak W， Young D J， et al. Boron depletion in a nickel base superalloy induced by high temperature oxidation［J］. Oxidation of metals， 2015， 83（3）： 393-413.
［29］ Abe F， Araki H， Yoshida H， et al. The role of aluminum and titanium on the oxidation process of a nickel-base superalloy in steam at 800 ℃［J］. Oxidation of metals， 1987， 27（1）： 21-36.
［30］段秀峰，张晶晶，张寿禄，等. Nb和Ti对444超纯铁素体不锈钢高温氧化行为的影响［J］. 特殊钢， 2021， 42（4）： 7-11.
［31］ Li M H， Sun X F， Li J G， et al. Oxidation behavior of a single-crystal Ni-base superalloy in air. I： at 800 and 900 C［J］. Oxidation of Metals， 2003， 59： 591-605.

[1]	Duan Xiufeng, Zhang jingjing, Zhang Shoulu, Li Guoping, Wei Yinghui. Influence of Nb and Ti on High Temperature Oxidation Behavior of 444 Ultra-pure Ferritic Stainless Steel [J]. Special Steel, 2021, 42(4): 7-11.
[2]	Wang Lingyan, Yu Xuguang, Zhang Yi, Liu Dan, Wang Junshuai. Effect of Temperature on Magnetic Performance of 33EH High Quality Sintered NdFeB Permanent Magnets [J]. Special Steel, 2015, 36(1): 45-48.