本文首先設計FGH97合金高溫氧化試驗，以某GH97合金渦輪盤為例，模擬FGH97合金試件的高溫氧化過程；然后，觀察試件表面氧化皮顏色特征，明確氧化皮成分，推導出FGH97合金渦輪盤破裂失效時的工作溫度；最后，對不同溫度下FGH97合金的氧化過程進行分析和討論，得到FGH97合金的高溫氧化機理。

1 高溫氧化試驗
     試件材料與合金渦輪盤源于同一批母材，主要化學成分如表1所示。取 9件試件，用砂紙精磨試件檢測面，直至Ra≤0.6 μm。高溫氧化試驗試件保溫溫度分別為600℃、650℃、700℃、750℃、800℃、850℃、900℃、950℃、1000℃。高溫空氣爐預熱到指定溫度，將試件送入爐中，再次加熱，使高溫空氣爐恢復到指定溫度，保溫120 min、空冷1 h，觀察試件表面氧化狀態。為了使試件氧化過程更加接近渦輪盤實際工作狀態，在確保高溫空氣爐溫度保持穩定的前提下，使爐膛內外空氣可輕微流動。

2 氧化皮顏色特征觀察
       高溫模擬試驗后， 9件試件表面氧化皮顏色特征如圖1所示。由試驗得知， FGH97合金在600~1000℃下保溫120 min、空冷1 h，表面氧化皮顏色變化可分為三個階段。第一階段為600~700℃，試件表面顏色以黃色為主。700~750℃為第一階段與第二階段的過渡階段，試件表面顏色從暗黃色轉變成淺藍色。第二階段為750~850℃，試件表面顏色以藍色為主。850~900℃為第二階段與第三階段的過渡階段，試件表面顏色從淺藍色轉變成銀灰色（局部淺綠）。第三階段為900~1 000℃，試件表面顏色以灰色為主，隨著溫度的提高，表面顏色從銀灰色（局部淺綠）向暗灰色轉變。

3 氧化皮成分分析
      分別對9件試件表面氧化皮做能譜分析，含量變化結果如圖2所示。結果表明，試件表面氧化皮中Cr、 Ti含量明顯高于基體，其余元素含量相比基體略少或無明顯變化。這說明合金表面的Cr和Ti與氧優先反應，在化學位梯度的作用下，合金基體中的Cr和Ti擴散到合金表面并在合金表面富集。

4 合金渦輪盤破裂失效時工作溫度分析
對FGH97合金渦輪盤進行低循環疲勞考核試驗 ， 結果如圖3所示 。試車117 min 27s后 ， 發生疲勞斷裂。根據疲勞弧線及其收斂位置，該渦輪盤疲勞斷裂源區如圖3a箭頭所示，源區所經歷的溫度即為渦輪盤疲勞失效過程中的最高溫度。疲勞斷口源區氧化皮為暗灰色，根據模擬試驗得知，渦輪盤最高服役溫度約為1000℃。截取渦輪盤源區與正常位置的試樣磨制金 相試樣，在掃描電鏡下觀察。源區組織與正常組織特征一致， γ'相呈塊狀，未見粘接長大、回熔及二次析出等過熱過燒現象，如圖3b、 3c所示。

       當溫度超1000℃時，隨著Ti離子的消耗， Cr離子的氧化逐漸占據主導地位， Cr2O3不斷在合金表面增長，形成連續的氧化層。當溫度超過1000℃時，合金中各元素變化規律愈加復雜，氧化皮顏色發黑。相關研究表明，當FGH97合 金 長 時 間 處 于1000℃以上高溫環境時，合金中的各元素均會與氧發生復雜的反應，形成的氧化物有 Cr2O3、TiO2、 A12O 3、N i O 、NiCr2O4、 NiAl2O4、 NiCo2O4等。
        通過氧化皮顏色對比 ， 判斷該渦輪盤疲勞斷裂失效過程最高服役溫度約為1000℃。在此溫度以下，疲勞源區γ'相呈塊狀，未見粘接長大、回熔及二次析出等過熱過燒現象，即未達到超溫服役狀態。

6 結論
（1）FGH97合金高溫氧化過程主要以Cr、 Ti元素的氧化為主。當溫度低于800℃時， Ti的氧化占據優勢；當溫度高于800℃時， Cr的氧化占據主導作用。
（2）對某FGH97合金渦輪盤進行高溫氧化試驗表明，其最高服役溫度約為1 000℃。在此溫度以下2 h內，疲勞源區組織γ'相呈塊狀，未見粘接長大、回熔及二次析出等過熱過燒現象。FGH97金氧化皮顏色狀態與組織關系密切，關注元素氧化情況，對發揮FGH97合金最佳力學性能有借鑒作用。
 

文章來源：材料成型及模擬分析