Isothermal oxidation behaviour of beta gamma powder metallurgy TiAl–4Nb–3Mn alloys

Abstract

A new TiAl–4Nb–3Mn beta gamma alloy was synthesised by a powder metallurgy process. HIPed and vacuum heat treated specimens were isothermally oxidised at 800 and 900°C in air up to 500 h. The TiAl–4Nb–3Mn alloys oxidised parabolically up to 500 h at both 800 and 900°C. The oxides consisted of outer TiO₂ layer, intermediate Al₂O₃ layer and inner TiO₂ rich mixed layer and the oxidation mechanisms of the alloy were identical at both temperatures. During oxidation, the degradation of α₂ lamellae in the vicinity of the interface forms a diffusion zone (lamellar depleted zone) leading to the formation of Nb and Mn rich white layers just below the interface by outward diffusion of Nb and Mn which are released from breakdown of α₂ lamellae. As exposure time increases, Nb begins to diffuse earlier than Mn and diffuses more actively at higher temperature. The activation energy for oxidation of TiAl–4Nb–3Mn alloy was lower than that of Ti–48Al alloy and was higher than those of Ti–48Al–2Nb–2Cr and Ti–48Al–2Nb–2Cr–W alloys.

On a synthétisé un nouvel alliage TiAl–4Nb–3Mn de type bêta gamma par un procédé de métallurgie des poudres. On a oxydé en isotherme à 800 et à 900°C à l’air, jusqu’à une durée de 500 heures, les spécimens pressés par HIP et traités thermiquement sous vide. Les alliages de TiAl-4Nb-3Mn s’oxydaient paraboliquement jusqu’à 500 heures tant à 800°C qu’à 900°C. Les oxydes consistaient en une couche externe de TiO₂, en une couche intermédiaire d’Al₂O₃ et en une couche interne mixe riche en TiO₂ et les mécanismes d’oxydations de l’alliage étaient identiques aux deux températures. Lors de l’oxydation, la dégradation de lamelles d’α₂ dans le voisinage de l’interface forme une zone de diffusion (zone lamellaire appauvrie) menant à la formation de couches blanches riches en Nb et en Mn juste au-dessous de l’interface par diffusion vers l’extérieur du Nb et du Mn, qui sont relâchés par la dégradation des lamelles d’α₂. À mesure que la durée de l’exposition augmente, le Nb commence à se diffuser plus tôt que le Mn et se diffuse plus activement à une température plus élevée. L’énergie d’activation pour l’oxydation de l’alliage de TiAl–4Nb–3Mn était plus basse que celle de l’alliage de Ti–48Al et était plus élevée que celle des alliages de Ti–48Al–2Nb–2Cr et de Ti–48Al–2Nb–2Cr–W.

Keywords:

• Titanium aluminide
• Beta gamma alloys
• Powder metallurgy
• Isothermal oxidation

This work was supported by the National Research Foundation of Korea Grant funded by the Korean Government (no. NRF-2009-352-D-00001). The author would like to thank the Institute for Aerospace Research, National Research Council Canada, for making available of oxidation test and microstructure characterization equipment.