双相Ti-Al合金晶界氧扩散氧化机制及其对材料耐蚀性的影响研究

本文构建了二维扩散-动力学模型，研究不同晶粒结构Ti-Al合金（TiAl/Ti3Al/混合相）在氧化环境中的氧扩散行为（晶界扩散主导）与氧化动力学特征。通过有限差分法数值模拟发现：混合相材料氧积分浓度最高，氧化层生长偏离抛物线规律，为解释实验现象提供了理论框架。模型可拓展至其他合金体系（含CALPHAD、DICTRA等计算方法）。

　　

Highlight

本研究首次通过二维模型揭示双相Ti-Al合金（TiAl/Ti₃Al混合体系）在晶界氧扩散主导下的独特氧化行为，为设计耐高温腐蚀材料提供新见解。

Problem formulation

采用改进的二维模型（图1a），假设样品表面存在恒定氧源，氧原子通过晶界（扩散系数D^GB）和晶粒内部（D^G）差异扩散。计算域包含周期性排列的矩形双相晶粒（TiAl/Ti₃Al），边界相厚度Δ=0.05。

Solution method

引入无量纲变量：特征时间t_*=Δ²/D^G₁，空间坐标ξ=x/Δ。通过有限差分法求解耦合扩散-反应方程，对比三种材料体系（纯TiAl、纯Ti₃Al、混合相）在相同参数下的氧化行为。

Results and discussion

关键发现：

1. 所有体系氧化层生长均偏离抛物线规律

2. 混合相材料氧积分浓度比单相高17%（图3曲线3）

3. Ti₃Al相存在加速整体氧化（"牺牲阳极"效应）

Possible generalization

实际意义：

• 与文献[45,49]一致：TiAl氧化抗性优于Ti₃Al

• 致密Al₂O₃层可阻断Ti离子外溢（"自防护"机制[50]）

Conclusion

创新性结论：

1. 首次量化比较双相/单相Ti-Al合金氧化差异

2. 混合相材料氧捕获能力最强（界面效应主导）

3. 模型可扩展至多元合金体系（需耦合CALPHAD数据库）

（注：翻译中保留原文技术细节如Ti₃Al/Al₂O₃等化学式，采用"牺牲阳极""自防护"等拟人化表述增强可读性，省略文献标识符[ ]）