离子注入Y^+对Ni30Cr演向凝固合金氧化膜界面缺陷与剥落机制的影响.pdf

卜 2 第3 3 卷第 8期 1 9 9 7年 8月 金属学报 ACTA M ETALLU RG CA SI N CA、)v o 1 3 3 N o 8 一 A u g u s t 1 9 9 7 离子注人 Y+对 Ni 3 0 C r 定向凝固合金 氧化膜界面缺陷与剥落机制的影响 主 亘圭塾蓝 李美栓 靳惠明 师昌绪(中 家重点实验室，沈阳 1 1 0 0 1 5)摘要用 A E技术和S E M研究了 离子注入 Y (1 1 0 Y c m )对 N i 3 0 C r 定向凝固合金 1 0 0 0 形成的氧化媵在冷却过程中的破裂行为的影响 结果表明：合金的横向和纵向虽具有不同 的显徽结构，但表面氧化膜的破裂行为相似 未注 Y 合金氧化膜在冷却过程中发生了开裂和剥 落 裂纹萌生于台金晶界及膜 合金界面的空嗣处，以后扩展至膜内，导致膜发生剥落 离子注八 Y 显著改善了氧化膜的抗剥落性能 注入 Y 明显减步了界面缺陷的数量及减小了 缺陷的平均尺 寸 关 睦 词 墨塑 拿苎茎 塾Y ，基 堑 Ni 3 0 C r 合金表面能形成完整的 C r 2 O 3 膜，从而具有优良的抗恒温氧化性能 但这层 c r o，膜在冷却过程中易发生开裂与剥落 已经对氧化膜在应力作用下的破裂行为作了大量 研究 E v a n s 应用力学原理给出了氧化膜发生开裂和剥落的两种途径，在膜 合金界面结 合强度较弱的条件下，界面处预存的物理缺陷如空洞对氧化膜的剥落起关键作用 当界面缺 陷达到一临界尺寸吨 该处氧化膜就会翘曲，最后发生剥落 界面处物理缺陷的定量测量一直 引起人们的兴趣 近年来，声发射技术(A c o u s t i c E mi s s i o n简称 AE】已成功地应用在监测氧化 膜的开裂和剥落 以及测定氧化膜 合金界面预存缺陷的大小与分布。合金中添加微 量稀土元素可显著降低合金的氧化速率并改善氧化膜的抗剥落性能(R e a c t i v e E l e m e n t E ff e c t 简称 R E E)RE E是高温氧化领域的一前沿课题，但其作用机制尚不明了 本实验采用 AE技术定量测量了离子注入 Y 对 C r 2 O3 膜 N i 3 0 Cr 合金界面预存缺陷数 量和尺寸大小与分布的影响 其目的是揭示界面缺陷对氧化膜破裂行为的作用，并探讨稀土 元素改善膜粘附性的作用机理 1 实 验 方 法 圆柱形 Ni 3 0 C r 定向凝固合金分别平行于凝固生长方向(纵切)及垂直于凝固生长方向(横 切)线切割成 1 4 mm 8 mm1 mm及直径 1 5 1 mm的片状试样，用砂纸逐次研磨 式 样直至 8 0 0 号，然后用 1 5 邶1 的金刚石研磨膏抛光，在丙酮中以超声波清洗 国家 自然科学基金资助项目5 9 2 3 1 0 1 1 收到初稿 日期：1 9 9 6-t 0 2 4，收到修改稿 刚辄 1 9 9 7-0 1 0 9 本文通讯联系人：辛丽 沈阳(1 1 0 0 1 5)维普资讯 http:/ 8 5 2 金属学报 3 3 卷 在 ME V V A 8 0 1 0型离子注入机上进行 Y离子注入 注入剂量为 1 1 0”c m ，电压为 5 0 k V，束流强度为 2 2 5 m A 声发射实验用直径 1 m i l l 的铂丝作波导，直接点焊到样品侧面，铂丝另一端焊在带锥度的 合金波导棒上，与传感器及声发仪等的连接方法参见文献 E 3 3 声发射系统总增益 1 0 0 d B，通频带为 l 0 o _ _ 2 o 0 H z 实验时，A E总增益为 8 7 d B，采用固定门槛，门槛电压为 1 V AE信号采用事件计数 含钇和不含钇样品在 1 0 0 0空气中恒温氧化 2 0 h，然后炉冷至室温，同时监测 AE信号 用 C a mb r i d g e$3 6 0 型 S E M 观察氧化膜表面形貌和对膜的剥落区的数量和尺寸进行统计 2 实 验 结 果 Ni 3 0 C r 定向凝固合金的显微组织见图 1 横切样品可见三角晶界，晶粒粗大(图 l a)；纵切 样品只有单向晶界，为粗大的柱状晶结构(图 l b)圉 1 N i 3 0 C r 定向凝固合金的金相图 Fi g 1 Op t i c a l mi c r os t r u c t u r e o f Ni 3 0 Cr d i r e c t i o n a l s o l i d i f i c a t i o n a l l o y (a)t r a n s v e r s a l s e c t i o n(b)l o n g i t u d i n a l s e c t i o n 未注 Y 的横切及纵切样品在 1 0 0 0 空气中恒温氧化后膜厚分别为 6 3 7 和 6、4 2 u m，注 Y+后膜厚分别为 3 2 1 和 3 1 8 U m、注 Y 斗 后氧化膜增厚速度明显减小 图 2 为样品炉冷过程中的产生的 A E事件计数率随时间的变化曲线、横切与纵切样品的 A E结果是相似的，氧化 2 0 h 后，生成的氧化铬膜在炉冷至约 5 0 0时开始发生连续的开裂 及剥落，标志着膜发生开裂 剥落过程所需的临界应力，连续的开裂和剥落持续了一定的温 度范围 注入 Y 后无论横切或纵切样品，声发射事件计数率比未注 Y 斗 样品小得多，表明氧化 膜发生破裂的次数明显减少、S E M 观察(图 3)表明，横切与纵切的未注Y 斗 样品在 1 0 0 0恒温氧化 2 0 h 后氧化膜都发 生了开裂和剥落，剥落大多发生在膜 合金界面空洞(1 n t e r f a c i a l v o i d)处及合金的晶界处 在 合金 晶界处可看到由于 c r 沿 晶界快速 向外扩散，阳离子空位聚集形成的深沟(图 3 h)C r 2 0 3 N i 3 0 C r 合金界面空洞的大小和形状各异，形貌主要有以下几种：维普资讯 http:/ 8期 辛丽等：离子注入 Y 对 N i 3 0 C r 定向凝固舍金氧化膜界面缺陷与剥落机制的影响8 5 3 (1)表面光滑的多面体形空洞(图 3 a)，有的侧面有微阶(S p i r a l s t e p)存在(图 3 b)；(2)空洞由几个多面体相接而成，多面体之间的界线已很难区分，有的表面光滑，有的表面 遍布小坑(图 3 c，d，g)；(3)空洞表面有非常细小的白色颗粒(图 3 e)，由于颗粒很小，无法用能谱确定其成分，空洞 形状与(2)相似 数个界面空洞聚集在一起形成界面缺陷(I n t e r r a c i a l fl a w)，界面缺陷一般由 (1)、(2)型空洞聚集而成，(3)型空洞很少出现 注 Y+的横切与纵切样品氧化 2 0 h 后都没发生 剥落 1 2 00 1 0 00 8 0 0 B O O 4 0 0 2 0 0 0 E 1 2 o O 1 0 0 0 8 0 0 6 0 0 4 00 2 0 0 0 E 圉 2 N i 3 0 C r 合金 1 0 0 0 氧化后炉拎过程中的 A E结果 H 2 Th e AE r e s u l t s f o r Ni 3 0 Cr a l l o y Ox i d i z c d a t 1 0 0 0 I C f o r 2 0 h t h e n f u rn a c e c o o l e d t o r o o m t e mp e r a t ur c (a)a n d(b)c o r r e s p o n d i n g t o u n i mp h n t a n d I x 1 0 Y c m2 一 i mp hn t c d t r t r t s v e r s a l s a mp l e s r e s p e c t i v e l y (c)a n d(d)c o r r e s p o n d i n g t o u n i mp l a n t e d a n d i x 1 0。Y c m-i mp l a n t e d l o n g i t u d i n a l s a mp l e s r es p e c t i v e l y u I E 0 0 0 山 维普资讯 http:/ 8 5 4 金属学报 3 3 卷 图 3 未注 Y 的 N i 3 0 C r 合金 1 0 0 0 氧化 加 h 后膜剥落区域的 S E M 照片 F嚷 3 S E M m r o g r a g h s o f s o a l l e d a l i a s o n t h e Cr 2 03 s c a l e f o r me d o n u n i mp l a n t e d Ni 3 0 C r all o y b y 2 0 h o x i d a t i o n a t 1 0 0 0(a)，(b)，(c)，(d)，(e)l o n g i t u d i n a l s a mp l e s ，(，(h)t r a n s v e r s a l s a mp l e s 维普资讯 http:/ 8期 辛丽等：离子注入 Y+对 N i 3 0 C r 定向凝固合金氧 3 讨 论 3 l 氧化膜开裂和鲫落的机制 导致氧化膜破裂的起因是氧化膜内应力，样品恒温氧化时膜内产生的生长应力较小，一 般不会引起膜的破裂，冷却过程中的热应力是导致氧化膜破裂的主要原因 在冷却过程中氧 化膜的内应力为恒温生长应力和热应力的总和，可由下式 计算、O=g+t ：+二 !(1)式中：O 0、和 O t 分别为氧化膜内应力、生长应力和热应力，、x 分别为金属及氧化膜 的热膨胀系数，E o x氧化膜的弹性模量，v 为 P o i s s o n比，A T为温度差 可见在冷却过程中膜 内应力随 A T的增加而增加 由图 2 可见，未注 Y 样品在冷却过程中的开裂和剥落持续了一定的温度范围，表明氧化 膜不是在单一的应力值下发生的破裂 整个样品表面氧化膜的性质是有_差别的，膜的不同区 域的断裂应变能存在着差异 _7 ，有着一定的原始分布，这就是瞧连续破裂行为持续了一定 温度范围的原因 E v a n s u 曾提出压应力作用下氧化膜破裂的两种途径：途径 I 是当氧化膜 基体界面强 度高于膜本身的断裂强度时，先在膜中原有缺陷上产生一剪切裂纹，裂纹在压应力作用下沿 界面扩展；途径 I I 是氧化膜的断裂强度高于膜 基体的界面强度，膜在压应力作用下首先在 界面“预存缺陷”(P r e-e x i s t i n g in t e r f a c ia l fl a w)处发生翘曲，在翘曲周边上产生垂直于膜 合 金界面的张应力，导致翘曲区域扩展，进一步裂纹扩展至膜中，当裂纹贯穿氧化膜时，便会发 生剥落 E v a n s 进一步推导得出对于后一种类型的膜破裂的定量方程，当界面预存缺陷半 径大于一临界值 a。时，氧化膜就会发生翘曲，可由下式计算(2)式中 和 分别为氧化膜的厚度和平均压应力 翘曲发生后，翘曲部分的平均压应力降低，但 在翘曲周边发生应力集中，当界面的裂纹达到一临界半径 a。，裂纹就会在裂纹尖端向氧化膜 内扩展，引起膜的剥落 a。可按下式值算(3)未注 Y+的 N i 3 0 C r 合金的氧化膜大多在界面空洞存在处发生剥落，这与 Ho u 等人 的 结果致，说明氧化铬膜是按途径 I I 发生破裂的 注 Y+台金没发生剥落，但在冷却过程中也 有少量 AE信号产生，这可能与界面“预存缺陷”的扩展有关 观察注 Y+样品的截面(图4 b)，发 现大部分区域的氧化膜与基体粘附性很好，但也有小部分区域存在着界面缺陷，在开始冷却 时，膜内压应力的突然增加，使得膜在界面缺陷处发生翘曲及翘曲区域发生扩展，产生少量 维普资讯 http:/ 8 5 6 金属学报 3 3 卷 AE信号，但由于没有达到临界尺寸，所以没引起膜的剥落 膜 合金界面空洞的产生机制有如下几种：(1)对于金属含量不足的p 一 型氧化膜(Ni O，C r 2 O 等)，由于阳离子向外扩散，相应的阳离 子空位向内扩散，这些空位溶解于金属中，当达到一临界饱和浓度时，就会在空位陷阱，例如 膜 合金界面聚集，形成空洞(2)“Ki r k e n d a l l r 应，即由于合金中不同元素朝向和背离膜 金属界面的扩散速率不同 而产生过剩的空位，形 Kir k e n d a ll”空洞(3)由于合金基体中的金属原子与氧化膜结合，而后者没有完全的松驰与后退的基体保持 紧密的结合(4)氧化膜在压应力作用下，由于膜 合金界面起伏不平，产生垂直于界面的张应力，当此 张应力超过临界空洞形核应力时，就会形成稳定空洞 空洞可在磨痕、晶界或金属表面其它 不规则处产生 圉 4 未注 Y 和注 Y 样品氧化后的截面 Fi g 4 S EM p h o t o g r a g h s o fc r o s s s e c t i o n o f l o n g i t u d i n a l s a mp l e so x i d i z e df o r 2 0h a t1 0 0 0(a)u r d mp l a n t e d (b)l x 1 0 7 Y c m2 i mp l a n t e d 从氧化铬膜剥落后露出的界面空洞的形貌的观察结果，认为前两种机制为 Ni 3 0 C r 合金 膜 合金界面空洞形成的主要机制 空洞的不同表面形貌的形成可能与空位聚集的方式有关，而前两种机制都包含着氧化过程中形成的空位再聚集的过程 如果空位聚集形成的空洞呈较 稳定的形状，空洞表面的晶格结构不利于空洞长大，或有利于 c r 从空洞表面以螺位错攀移机 制蒸发形成螺型台阶“”，例如 I 型规则多面体空洞，R a p p 等人 E l 2 曾指出这种形状的结构 能量最低 如果空位聚集形成的空洞不太稳定，即空洞表面的晶格结构有利于新产生的空位 扩散到这种空洞周围使空洞进步长大，例如 I I、I I I 型空洞，由于空洞表面的合金结构使 C r 原子无法以螺位错攀移机制蒸发，c r 原子就直接挣脱金属晶格向外运动，在空洞表面形成小 坑，白色小颗粒可能为蒸发的 C r 还未氧化就冷却使气态 C r 固化的结果 有的表面光滑的空 洞某一表面也有少量小坑形成，说明这一表面 c r 向外蒸发所需能量较低，可见空洞表面能否 形成小坑与表面晶格结构相关 空洞表面小坑是否形成可能也与空洞形成的时间有关，表面 光滑的 I I 型空洞可能是在氧化后期形成的，所以无 C r 蒸发留下的痕迹 从图 3 可观察到一个 维普资讯 http:/ 8期 辛丽等：离子注入 v+x,t Ni 3 0 C r 定向凝固合金氧 界面缺陷一般由几个距离很近的界面空洞组成，有研究 认为促使界面空洞聚集的动力是 样品冷却过程中的热应力，但从本实验结果分析，似乎与界面缺陷附近的合金晶格结构关系 更大，空位较易在这种区域凝聚，另外空洞存在区的应力状态与其它区域不同，可能也有利于 其它空洞在此形成 注 Y 样品氧化膜不发生剥落，说明氧化膜粘附性较好，这主要与注 Y 后合金氧化膜生长 机制的改变有关”未注 Y 合金氧化膜主要靠 c r 向外扩散生长，空洞产生机制(1)和(2)共同作用在膜 合金界面产生大量空洞，这些空洞成为氧化膜在压应力作用下优先破裂的区 域，削弱了氧化膜的粘附陛 注 后 偏聚于晶界与膜合金界面“，阻碍阳离子向外 扩散，氧化膜主要靠氧向内扩散生长，空洞产生机制(1)不再起作用，界面空洞的数量就大大减 少了，少量的界面空洞的产生主要与机制(2)有关，而且由于氧化后期 Y 的存在不能完全抑制 c r 向外扩散“，也造成部分界面空洞的形成 P i n t ”研究发现即使对于粘附性很好的含 RE的氧化铬膜，也观察到了界面空洞的形 成，因此认为如果界面空洞一直保持较小则不会损害氧化膜的粘附性，R E的存在不会完全阻 止界面空洞的形成，但能阻止它快速长大，从而使膜 合金界面的粘附生保持较长时间 界面 缺陷是否长大取决于界面能的大小，R E偏聚于膜 合金界面能够提高界面能，抑制界面缺陷 长大，同时由于 S 等杂质在界面存在通过改变界面能使得界面缺陷快速长大，RE减少了S在 界面偏聚，从而也抑制了界面缺陷的长大 另外，也有研究指出”，R E离子或其氧化物在金 属基体和氧化膜中易与空位结合，提供了空位陷阱，阻止空位偏聚形成空洞 3 2 界面预存缺陷的测定与结果分析 在一定温度区间内产生的声发射事件数作为 A T的函数可直接测量 式中 为在一设定的温度区间 A T内采集到的AE事件数 对 f(A T)J L 乎为正态分布 每 Z个事件对应一次氧化膜剥落，其中 z。1 个 A E事件对应膜剥落过程中的贯穿开裂(T h r o u g h t h i c k n e s s c r a c k s)，一个 A E事件对应于膜的翘曲，发生剥落界面缺陷的数量 N可 表示为 A T的函数：，【Z 由式(1)和式(3)可得 一 筹 一-(5)(6)通常情况下，氧化膜的生长应力 较小，般不超过热应力的 1 0 ，可以忽略 的 作用 由式(5)和式(6)可得 ：1 Eo xh 2 l -一v ()(7)式中 v：O 3 维普资讯 http:/ 8 5 8 金属学报(A 一 0 x)=1 5 8 1 0 5()从上式就可得出氧化膜剥落区的尺寸大小分布 由式(2)和(3)可知 a e(1 1 1 9)a s (8)这样从剥落区的尺寸分布就可得出界面预存缺陷的尺寸分布 由于 S E M观察氧化 2 0 h的注 Y 十 样品没发生剥落，界面缺陷半径大于 时膜发生翘曲 产生 A E信 所以不能直接由式(7)计算得出吼 由式(1)和式(2)可得 一Hs 筹 由于只发生翘曲，所以z=1，n=由式(5)和式(9)可得-v=簪 l-v 队 匕 式就可直接得出界面缺陷的尺寸大 J ff j-布 圈 5 计算得出的未注Y 的N i 3 0 C r 合金1 0 0 0氧 化 2 0 h 后膜剥落区尺寸大小分布 Fi g 5 Th e c a l c u l a t e d s i z e d i s t r i b u t i o n o f t h e s D a l-l e d a r e a s f r o m t h e u n i mp l a nt e d t r a n s v e r s a I s a mp l e s o x i d i z e d f o r 2 0 h a n d t h e n f u r n a c e c o o l e d t o r o o m t e m口 e r a t u r e (9)(1 0)根据 AE数据和公式(7)计算得出未注 Y 的横切和纵切样品 1 0 0 0氧化 2 0 h 后氧 化膜剥落区尺寸(2 n 太小分布曲线，由于横 切及纵切样的结果相似，所以只给出横切样 品的结果，见图 5 横切与纵切样品的剥落区 的平均直径分别为 1 6 7 和 1 6 9 p m 采用式(8)将 q分布转变成 分布，可得横切与纵 切样品的界面预存缺陷的平均直径分别为 9 7 和 9 8 p m，横切样品的分布曲线见图 6(a)根据 A E数据和公式(1 O)计算得出注 Y+样 品界面预存缺陷的尺寸大小分布 注 Y 十 后，横切与纵切样品的界面缺陷的平均直径分别 为 5 4 和 5 8 p m，可见，界面缺陷的尺寸减小 了 横切样品的结果见图 6 b 这些曲线都成 正态分布 以图 6 a为例，由 A E数据计算出 的界面缺陷的最小直径约为 9 2 p m，但这并 不代表着直径小于 9 2 p m 的界面缺陷不存 在，而是由于这些缺陷没有引起氧化膜破裂，所以没产生 A E信号，这些缺陷尺寸无法测 量，所以按正态分布画出 维普资讯 http:/ 8期 辛丽等：离子注入Y 埘 Ni 3 0 C r 定向凝固台金氧化膜界面缺陷与剥落机制的影响8 5 9 可见，由A E结果计算得出的氧化 2 0 h的横切与纵切样品的界面缺陷的平均直径相差很 小，注 Y 后，计算得出的界面缺陷的平均直径比未注 Y 样品约小倍 注Y+样品并未发生剥 落，AE信号是半径大于 界面缺陷发生扩展时产生，由于在整个冷却过程中氧化膜内应力作 用下其翘曲半径并未达到 a ，所以没有剥落现象发生 如上一部分分析的那样，注入 Y+通 O 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 ln m a dal fl a w s ，13 1 图 6 计算得出的 N i 3 0 C r 台金 1 0 0 0氧化 2 0 h 后膜 台金界面缺陷尺寸大小分布 F i g 6 Th e c a l c u 1 a t e d s i z e d i s t rib u tio n o f t h e i n t e r r a c i al fla ws wh i c h c a u s e d b u c k i ng o f t h e s c a l e f o r t h e t r a n s v e r s a l s a mp l e s o x i d i z e d f o r 2 0 h a t 1 0 0 0 t h e n f u r n a c e c o o l e d t o r oo m t p e t a t u r e (a)u n i mp l a n t c d s a mp l e (b J 1 1 0”Y c m-L mp l a n t c d s a mp l e 圉 7 S E M观测得出的未注Y 的N i 3 0 C r 合金 1 0 0 0 氧化 2 0 h后膜剥落区尺寸大小分布 F i g 7 Th e S EM mc u r c d s i z e d t r i b u fio n o f t h e s p a c x i 8 r e f r o m t h t u r a i mp l a n b e d t r a n s v e r s al s a mp l e s o x i d i z e d f o r 2 0 h a t l 0 0 0 过改变氧化膜生长机制减少了界面空洞的形 成，通过增大界面能抑制 了空洞的长大，从 而增强了氧化膜的粘附性 另外，由样品截 面观察得到注 Y+样品氧化膜比未注 Y+样品 致密，界面裂纹不易向膜内扩展，使得 a s 增大了，这样氧化膜就需要较长时间才会发 生破裂 用 S E M 统计了横切及纵切的未注 Y 样品氧化 2 0 h后的剥落区的尺寸大小，也只 给出横切样品的结果如图 7 横切样品共统 计了 2 5 0个区域，纵切样品统计了 1 6 0个区 域，统计出的剥落区的平均直径分别为 2 5 和 2 0,u m 可见测得的剥落区的尺寸比通过 AE结果计算的要小一些 差别产生的一个 原因是由于氧化膜中存在着缺陷，例如膜内 晶界、孔洞等，膜 合金界面也起伏不平，而式(2)和(3)却是在假设氧化膜是致密、平 整而且没有缺陷的基础上推导出来的 由于 日 7 6 5 4 3 2 1 O 曼口 l J 0L 0 丘E3 z 维普资讯 http:/ 金属学报 3 3 卷 膜内缺陷的存在，使得氧化膜在界面缺陷半径未达到 就发生了翘曲，在翘曲半径未达到 a。就发生了剥落 另一个原因可能是由于 E v a n s 的模型忽略了相邻两个界面缺陷的相互作 用，当两个缺陷十分靠近，一个缺陷上的应力释放必然对另一邻近缺陷的应力状态产生影响 Ha n c o c k u 曾经对膜 合金界面相邻缺陷之间的相互作用进行了研究，将彼此相互作用的 多个缺陷虚拟为个“复合缺陷”，研究此“复合缺陷”在应力作用下的开裂 实际情况中，相邻 缺陷之间的相互作用很复杂，对整个氧化膜力学行为也有影响 S E M 观察得出的剥落区的尺寸接近正态分布 一些直径较大的剥落区存在使得曲线不太 对榜 这些大剥落区主要分布在样品靠边缘棱角区域，S E M 观察可知边缘区域剥落区数量多，一些大剥落区形状不规整，似乎是由数个剥落区连成一片形成的 样品中部区域剥落区数量 较少，尺寸较小，形状较规整 样品边缘区域由于受样品几何形状的影响，氧化膜应力较高，造 成这些区域氧化膜剥落较严重，由于剥落区密度大，使得距离较近的剥落区连成片，形成大剥 落区 另外，一些小剥落区(直径小于 1 0 加)由于尺寸小，不易准确测量 这两个因素都造成 S E M 测量结果与正态分布有所偏离 但直径在 l 0 4 0 g m之间的剥落区的大小分布还是正 态分布 3 3 稀土效应(R E E)的力学模型 关于稀土改善氧化膜与基体的粘附陛，已有数种机理来解释，但都不能解释所有现象，至 今未能形成一个一致公认的理论模型 R a h m e i 等 从线弹性断裂力学来解释氧化膜的开 裂与剥落，可以将已有的几种机理都概括，推导出氧化膜破裂的临界应变量方程 当I临界应变 量超过一 时膜破裂，一 值按下式求得 式中：2 岛 x(1+v 0 x)，为断裂强度因子，为几何系数，r 为氧化物起伏长度，为膜 合金界面缺陷尺寸，d 为氧化膜的厚度，f o x为氧化物 P o i s s o n比 R a h m e l“指出，膜 合金界面的物理缺陷(非接触面积)的尺寸 n 值很难测定，以至该 式无法验证 本文用 AE技术实现注入 Y+对 N i 3 0 C r 合金氧化后氧化膜 合金界面 a 值影响 的测定，确定了它的数量、尺寸大小与分布 实验证明了稀土元素 Y减小了膜 合金界面的 缺陷尺寸，因而提高了一 s 值，增强了膜与基体粘附性，支持了氧化膜破裂的力学模型，并认为 导致膜力学性能改变在于稀土元素 Y偏聚晶界改变氧化膜生长机制所决定 认为此化学力学 模型可能是个较完善解释 R E E的模型 4 结 论(1)由声发射测量结果可知，横切和纵切的 Ni 3 0 C r 定向凝固合金的氧化膜的破裂行为相 似 离子注入 1 1 0”Y t i n 显著降低了合金在冷却过程中的产生的 A E事件计数率和累 积事件数，减少了氧化膜的破裂行为(2)未注 Y 合金氧化膜多处发生了沿膜 合金界面的剥落，大多发生在合金晶界和界面 空洞存在处 注 Y+样品氧化膜不发生剥落，主要原因在于注入 Y+改变了氧化膜的生长机制，从而减少了界面空洞的产生；而且由于 Y+偏聚于膜 合金界面，提高了界面能，抑制了界面 维普资讯 http:/ 8期 辛丽等：离子注入 Y 对 N i 3 0 C r 定向凝固合金氧化膜界面缺陷与剥落机制的影响8 6 1 空洞的长大(3)由AE结果计算可知，界面缺陷大小基本上呈正态分布 注入 Y 明显减少了界面缺陷 的数量及减小了缺陷的平均大小 参 考 文 献 Do u【a s s D LC o r r o a Sc i，1 9 6 8；8：6 6 5 Ev a ns H E Lo b b R C Co r r o s Sc h 1 9 8 4；2 4：2 0 9 李美栓，李铁藩，周龙江 中国腐蚀与防护学报，1 9 9 0；I l：2 1 7 Zh a n gYi f a n Sh o r e sD A 0 x i dM e t,1 9 9 3；4 0：5 2 9 靳惠明，李铁藩，李美挂，漏年，辛丽，宫泽祥 中国腐蚀与防护学报 已接收 T i c I 1 J K，Da v i d s o n J M I n：Ca t h c a r t J V e d ，S t r e s s E膳口 a n d t h e 0 x i d a t i o n o fMe t a 1 T h e M e t a l l u r g i c al S o c i e t y o fAI M E，1 9 7 4：2 01 Ev a ns H E M a t e r S c c h n o l,1 9 8 8；4：4 1 5 Ev a ns A G，Cr u ml e y G B，De m a x a y R E Ox i dM e t，1 9 8 3；2 0：1 9 3 Ho t l P Y，S t r i n g e rJ Oxi dM e t，I 9 9 2：3 8：3 2 3 S t o t t F H M a t e r f T e c i ol,I 9 8 8；4：4 3 1 S m i a l e k JL M e t a HTr a m 1 9 7 8；9 A：31 0 M a t s o n L E，Er h a r t H，M o on y o n g Le e，Ra p p R A M e t a l l Tr a n&1 9 8 4；1 5 A：2 2 4I P T e r a g g i B，R a p p R A JEl e c t r o c h e m S o c,1 9 9 3；1 4 o：2 8 4 4 辛丽 周龙江，靳惠明，李美l垒 李铁藩 中国腐蚀与防护学报，1 9 9 7，待发表 Pi n t B A Oxf dM e t 1 9 9 6；45：I Han e o c k Ni c h ol l s JR M a t e r Sc i Te c h no l,1 9 8 8；4：3 9 8 Rala me I A S c hu t z eM 0 x i dM e t 1 9 9 2；3 8：2 5 5 7 8 9 O 1 2 3 4 5 6 7 维普资讯 http:/ 金属学报 3 3 卷 I NF LUENCES oF Y-I M PLANATI ON 0N I NTERF ACI AL DEFECTS AND S PALLI N G M ECHANl SM OF Cr 2 03 SCALE F0RM ED oN Ni 3 0 Cr DI RECTI oNAL S oLI DI FI CATI ON ALL0Y XI N Li L I T i e f a n，L I M e h u a n，J I N Hu i mi n g S i l l C h a n g x u(S t a t e K e y L a b o r a t o r y 叠r C o r r o s i o n a n dP r o t e c t i o n I n s t O u t e o f C o r r o s i o n a n d Pr o t e c t i o n o f Me t a l s，Ch i n e s e A c a d e my o f S c i e n c e s S h e n y a n g 1 1 0 0 1 5)(Ma n u s c r i p t r e c e i v e d 1 9 9 6 1 0 2 4，i n r e v i s e d f o r m 1 9 9 7 0 1-0 9)ABSTRACT Ac o u s t i c e mi i o n wa s u s e d t o mo n i t o r t h e s c a l e c r a c k i n g a n d s p a l l i n g o f u n i mp l a n t e d a n d 1l 0 Y c m-i m p l a n t e d Ni 3 0 Cr d i r e e t inn a l s o l i d i fi c a t i o n a l l o y s a mp l e s t h a t h a d b e e n o x i d i z e d a t 1 0 0 0 f o r 2 0 h t h e n f u m a c e c o o l e d t o r o o m t e mp e r a t u r e Th e mo r p h o l o g y o f t h e r e ma i n i ng s c a l e a nd s p a l l e d a r e a s wa s o b ser v e d b y S EM Th e AE r e s u l t s s h o w t h a t t h e e r a c k I n g an d s p a l l i n g o f t he s c a l e s f o r me d o n t r a n s v e r s a l a n d l o n g i t u d i n a l s a m p i e s a r e s i mi l a r t h o u g h t h e i r m i c r o s t r u t u r e s a r e d i f i e ren t Th e c r a c k i n g a n d s p a l l i n g o ce o u r ed o n th e sca l e s o f u n i mp l a n t e d a l l o y Th e c r a c k i n i t i a t e d a t the i n t e r f a c i a l v o i d s a n d g r a i n b o u n d a r i e s，t h e n p r o p a g a t e d i n t o t h e sca l e a n d pr o d u c e d s p a l l i n g Th e s c a l e fo rm e d o n Y 一 im p l a nt e d s a mp l e wa s s i g n i fi c a n t l y mo re r e s i s t an t t o f r a c t u r e t h a n t h a t o n u inmp l a n t ed samp l e AE r e s u l t s p r o v e t h a t Y 一 im p l a n a t i on a pp a r e n tly de c r e a ses t h e a mo u n t s o f t h e i n t e r f a c i a l f l a ws an d r e d u c e s t h e me a n s i z e o f t h e f l a ws KEY W ORDS Ni Cr a l l oy，a c ou s t i c e mi s s i o n Y 一 i mp l a n a t i o n，o x i d e s c a l e，i n t e r f a ce C o r r e s p o n d e n t：X I N n，S t a t e K e y L a b o r a t o r y断 C o r r o s i o n a n d P r o t e c t i o n，I n s t u t e o fC o r r o s i o n a n d Pr o-t e c t i o n o f Me t a l s C h i n e s e Ac a d e my o f S c i e n c e s S h e n y a n g,1 1 0 0 1 5 维普资讯 http:/