鎳基超合金 IN-718 熱浸試片

依循先前之實驗結果，已經針對 IN-718 熱浸鍍試片進行短時間氧化試驗。

因此為了能夠更深入了解，各別經由不同鋁湯成分處理之 IN-718 熱浸鍍試片的 抗氧化能力優劣程度，本節即以INAl、INAl-7Si 和 INAl-10Si 等三種試片用以進 行長時間氧化試驗。

(a) INAl 試片

首先即針對 INAl 試片進行長時間氧化試驗，關於 INAl 試片於 1100℃經由 2 至 240 小時等不同時間之氧化試驗後，其鋁化塗層橫截面形態並且配合其生成 相與成分分析結果，則如圖3.21 所示。對於 INAl 試片於 1100℃經由高溫氧化試 驗後，其鋁化塗層之XRD 繞射分析圖，則綜合整理於附錄 1.5 中。關於 INAl 試 片於1100℃經由 2 小時之試驗後的鋁化塗層橫截面形態進行觀察，可知 INAl 試 片經由 2 小時氧化試驗後，其鋁化塗層組成相為 NiAl，並且在其鋁化塗層內部 可觀察到白色顆粒狀之 Cr₂Nb 析出物的生成。以及在其鋁化塗層與基材之界面 處，可進一步地觀察到碳化物生成的現象。更進一步地，當 INAl 試片經由 24

小時氧化試驗後，則可以在其鋁化塗層與基材之界面處觀察到由 σ 相所組成之 中間擴散層的生成，經由成分分析顯示σ 相主要由鉻和鉬元素所組成。關於 INAl 試片於 1100℃進行氧化試驗，則可以觀察到在氧化時間介於 24 至 120 小時間，

其鋁化塗層橫截面形態皆呈現相同之組成與分佈。對於經由 120 小時氧化試驗 後，其鋁化塗層橫截面進行分析，可知鋁化塗層組成相仍為 NiAl 相，並且中間 擴散層存在於鋁化塗層與基材之界面處。另外關於白色顆粒狀之Cr₂Nb 析出物則 主要集中於鋁化塗層之上半部區域，以及碳化物亦主要分佈於鋁化塗層與中間擴 散層之界面處。

隨著氧化時間逐漸地增加，當氧化時間提高至168 小時，則可以觀察到內部 固溶鋁元素之γ 相於鋁化塗層內部生成的現象，此 γ 相經由成分分析後，其內部 所固溶之鋁元素含量約為10(at.%)。因為受到 γ 相生成之效應的作用，所以 Cr₂Nb 析出物以及中間擴散層皆會固溶於γ 相中而完全地消失掉。隨著氧化時間增加至 216 小時，如圖 3.21(e)所示，在鋁化塗層靠近氧化層之區域則已經形成一連續性 之γ 相區。當 INAl 試片於 1100℃經由 240 小時氧化試驗後，則可觀察到鋁化塗 層內部之 NiAl 相所存在的區域，會隨著氧化時間的逐漸增加而轉換成富含鋁元 素的 γ 相。關於 INAl 試片於 1100℃經由高溫氧化試驗後，其鋁化塗層表面形態 則如圖3.22 所示，顯示 INAl 試片於 1100℃分別經由 24 和 120 小時之氧化試驗 後，該鋁化塗層所生成之氧化鋁皮膜，具有良好的平整性與附著性。

(a) 2 小時 (b) 24 小時

(c) 120 小時 (d) 168 小時

(e) 216 小時 (f) 240 小時

圖3.21 INAl 試片分別於 1100℃經由 2 至 240 小時之高溫氧化試驗後，其鋁化塗 層橫截面之金相照片。

(a) (b)

圖3.22 INAl 試片(a)於 1100℃經 24 小時之氧化試驗；(b)於 1100℃經 120 小時之 氧化試驗後鋁化塗層之表面形態。

(b) INAl-7Si 試片

關於 INAl-7Si 試片於 1100℃經由長時間氧化試驗後，其鋁化塗層橫截面形 態並且配合其生成相與成分分析結果，則如圖 3.23 所示。此外對於 INAl-7Si 試 片於 1100℃經由長時間氧化試驗後，其鋁化塗層 XRD 繞射分析圖則綜合整理於 附錄 1.6 中。首先針對 INAl-7Si 試片於 1100℃經由 2 小時氧化試驗後的鋁化塗 層橫截面形態進行觀察，可知該試片之鋁化塗層的組成相為 NiAl 相，並且在其 鋁化塗層內部可觀察到白色顆粒狀之 Cr₃Si 析出物的分佈。當氧化時間逐漸地由 2 小時增加至 24 小時，可觀察到在其鋁化塗層與基材之界面處會有中間擴散層 的生成，該中間擴散層主要是由 σ 相所組成，並且伴隨著 Cr₃₇Nb₂₇Si₃₆析出物的 分佈現像。隨著氧化時間逐漸地由24 小時增加至 120 小時，可得知 INAl-7Si 試 片之鋁化塗層的橫截面形態皆呈現相同之組成與分佈。對於經由120 小時氧化試 驗後的 INAl-7Si 試片之鋁化塗層橫截面進行分析，可知其鋁化塗層組成相仍為 NiAl 相，Cr₃Si 之析出物則主要分佈於鋁化塗層之上半部區域，並且會有中間擴 散層與 Cr₃₇Nb₂₇Si₃₆析出物存在於鋁化塗層與基材之界面處。依據 INAl-7Si 試片 於 1100℃經由 120 小時氧化試驗後，其中間擴散層所在之區域的 BEI 影像及其 相關元素分佈分析結果，如圖 3.24 所示，顯示該中間擴散層除了為由 σ 相所組 成外，Cr₃₇Nb₂₇Si₃₆析出物亦主要分佈於中間擴散層之區域。並且依據其元素分佈 分析結果，可知 σ 相主要為由鉻和鉬元素所組成；相對地，矽元素則主要分佈

更進一步地，隨著氧化時間由120 小時增加至 192 小時，如圖 3.23(d)所示，

顯示可以觀察到內部富含鋁元素之γ 相於鋁化塗層與中間擴散層之界面處生成的 現象，此 γ 相經由成分分析後，其內部所固溶之鋁元素含量約為 12(at.%)。因為 受到γ 相之生成效應的作用，所以原先生成之中間擴散層 σ 相，會產生固溶反應 而消失掉。當氧化時間提高至 216 小時，如圖 3.23(e)所示，可觀察到 γ 相不只 於鋁化塗層與中間擴散層之界面處生成，亦會於鋁化塗層靠近氧化層之區域生 成，並且原先存在於鋁化塗層內部之 Cr₃Si 析出物亦會受到 γ 相生成之效應的作 用，產生固溶反應而消失。對於 INAl-7Si 試片於 1100℃經由 240 小時氧化試驗 後，則可觀察到鋁化塗層內部由 NiAl 相所存在之區域，會隨著氧化時間的逐漸 增加而逐漸地轉換成富含鋁元素的γ 相，以及在原先中間擴散層所存在之區域也 只能偵測到Cr₃₇Nb₂₇Si₃₆析出物的存在。如果進一步地將INAl 和 INAl-7Si 試片分 別於 1100℃進行長時間氧化試驗後的實驗結果進行相互比較分析，可獲得 INAl-7Si 試片受到所施加之塗層為鋁-矽塗層的作用，所以會生成 Cr₃Si 以取代 Cr₂Nb 的析出，以及會額外生成 Cr₃₇Nb₂₇Si₃₆析出物於中間擴散層所存在之區域。並且 可觀察到 INAl-7Si 試片其鋁化塗層內部能夠形成 γ 相所需經歷之氧化時間，也 會較 INAl 試片之鋁化塗層內部生成 γ 相所需經歷之氧化時間為長的現象。關於 INAl-7Si 試片於 1100℃經由高溫氧化試驗後，其鋁化塗層表面形態則如圖 3.25 所示，顯示 INAl-7Si 試片分別於 1100℃經由 120 和 240 小時之氧化試驗後，其 鋁化塗層所生成之氧化鋁皮膜，皆具有良好的平整性與附著性。

(a) 2 小時 (b) 24 小時

(c) 120 小時 (d) 192 小時

(e) 216 小時 (f) 240 小時

圖3.23 INAl-7Si 試片分別於 1100℃經由 2 至 240 小時之高溫氧化試驗後，其鋁 化塗層橫截面之金相照片。

(a) BEI (b) Ni

(c) Cr (d) Fe

(e) Al (f) Si

(g) Nb (h) Mo

圖 3.24 (a)INAl-7Si 試片於 1100℃經 120 小時氧化試驗後鋁化塗層之橫截面 BEI 照片，及其(b) 鎳，(c) 鉻，(d) 鐵，(e) 鋁，(f)矽，(g)鈮，(h)鉬之 X 光 元素分佈分析圖。

(a) (b)

圖3.25 INAl-7Si 試片(a)於 1100℃經 120 小時之氧化試驗；(b)於 1100℃經 240 小 時之氧化試驗後鋁化塗層之表面形態。

(c) INAl-10Si 試片

相對於 INAl 和 INAl-7Si 試片於 1100℃所進行之長時間氧化試驗，關於 INAl-10Si 試片於 1100℃經由長時間氧化試驗後，其鋁化塗層橫截面形態則如圖 3.26 所示。此外對於 INAl-10Si 試片於 1100℃經由長時間之氧化試驗後，其鋁化 塗層之 XRD 繞射分析圖則綜合整理於附錄 1.7 中。根據圖 3.26 之實驗結果以及 配合其生成相與成分分析結果，可知INAl-10Si 試片於 1100℃經由 2 小時氧化試 驗後，其鋁化塗層之組成相為 NiAl 相，並且在其鋁化塗層內部可觀察到白色顆 粒狀之 Cr₃Si 析出物的分佈。當 INAl-10Si 試片於 1100℃經由 24 小時之氧化試 驗後，則可觀察到在其鋁化塗層與基材之界面處會生成由 σ 相所組成之中間擴 散層，並且會伴隨著Cr₃₇Nb₂₇Si₃₆析出物在該區域的分佈現象。

當氧化時間更進一步地從 24 小時提高至 120 小時，則可以觀察到其鋁化塗 層之橫截面形態亦無隨著氧化時間提高至120 小時，因而產生明顯性之改變。如 果將同為施加鋁-矽塗層的 INAl-7Si 和 INAl-10Si 試片，分別於 1100℃經由氧化 試驗後的鋁化塗層橫截面形態進行相互比較分析，可得知兩者試片於氧化時間小 於168 小時，其塗層之橫截面形成皆呈現相同之組成與分佈。因此針對 INAl-10Si 試片經由120 小時氧化試驗後的鋁化塗層橫截面形態進行分析，可得知其鋁化塗 層組成相仍為NiAl 相，Cr₃Si 之析出物則主要分佈於鋁化塗層之上半部區域，並 且中間擴散層區域存在於鋁化塗層與基材之界面處。如果進一步地將 INAl-7Si

像進行分析比較，可得知兩者間之差 異性主要為存在於中間擴散層區域的 進一步地將 INAl-7Si 和 INAl-10Si 試片，分別於 1100℃進行長時間之氧化試驗 後的實驗結果進行相互比較分析，可獲得 INAl-10Si 試片受到所施加之鋁-矽塗

圖3.2(h)所示，在其鋁化塗層橫截面只能觀察到局部性之 NiAl 相所存在的區域。

因此可預期隨著氧化時間的持續進行，鋁元素將受到氧化反應和鋁化塗層與基材 間擴散反應的雙重效應之作用下而持續地被消耗，所以 NiAl 相之鋁化塗層最終 會完全地轉換成為內部僅固溶少量鋁元素之 γ 相，並且 Cr₃₇Nb₂₇Si₃₆析出物亦會 完全固溶於 γ 相內部。最後 INAl-10Si 試片因不再具有足夠的鋁元素，來用以生 成具有保護性之氧化鋁皮膜所導致的失效反應，會發生於該試片經由 2040 小時 之高溫氧化試驗後。對於 INAl-10Si 試片於 1100℃經由 2040 小時之高溫氧化試 驗後，其橫截面顯微結構以及相關合金元素分佈分析則如圖 3.28 所示，並且其 氧化物之XRD 分析結果亦如附錄 1.7(c)所示，顯示其鋁化塗層不再具有保護性，

因此促使鉻和鈮等元素優先被氧化，因而形成 Nb_0.6Cr_0.4O₂ 和 NbO₂ 之氧化物於 氧化鋁皮膜之外側。此時之 INAl-10Si 試片，生成其它非氧化鋁之氧化物，因此 可判定鋁化塗層所提共之抗氧化性已失效，而且該試片後續之氧化行為，將會類 似於未經表面處理之試片的氧化行為。

(a) 2 小時 (b) 24 小時

(c) 120 小時 (d) 216 小時

(c) 120 小時 (d) 216 小時