新型抗1200℃高溫氧化熱障涂層粘結(jié)層材料研制取得重要進(jìn)展

2026-02-11 08:34:24中國(guó)科學(xué)院金屬研究所閱讀量：15969      我要評(píng)論

　　航空發(fā)動(dòng)機(jī)是工業(yè)皇冠上的明珠，其核心渦輪葉片必須在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速的極端環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，這對(duì)材料的耐溫與抗氧化能力構(gòu)成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。隨著現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)向更高推重比、更高熱效率方向發(fā)展，渦輪前溫度已突破1900℃，遠(yuǎn)超現(xiàn)有高溫合金的承受極限。為此，在葉片表面涂覆熱障涂層已成為必不可少的防護(hù)手段。在這一多層體系中，位于陶瓷面層與合金基體之間的“粘結(jié)層”尤為關(guān)鍵：它既要緩解因熱膨脹系數(shù)不匹配引起的應(yīng)力，也要通過自身氧化形成連續(xù)、致密的熱生長(zhǎng)氧化層(TGO)，從而阻隔氧氣向內(nèi)擴(kuò)散，保護(hù)基體免受高溫腐蝕。

　　自上世紀(jì)70年代起，NiCoCrAlY(常統(tǒng)稱為MCrAlY)系列合金因其良好的相容性與出色的中高溫抗氧化性能，成為熱障涂層粘結(jié)層的首選材料。然而，該體系存在一個(gè)長(zhǎng)期未能突破的瓶頸：當(dāng)溫度超過1100℃時(shí)，其氧化速率急劇上升，TGO快速增厚并容易發(fā)生剝落，最終導(dǎo)致涂層系統(tǒng)失效。數(shù)十年來，這一溫度“天花板”始終制約著更高性能發(fā)動(dòng)機(jī)的研制進(jìn)程。面對(duì)下一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)渦輪前溫度提出的更高要求，亟待研制能夠在1200℃乃至更高溫度下穩(wěn)定服役的新型粘結(jié)層材料。

　　為解決上述難題，近期，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國(guó)家研究中心序構(gòu)金屬材料研究部聯(lián)合高溫合金研究部、北京大學(xué)王選計(jì)算機(jī)所、沈陽工業(yè)大學(xué)，在開發(fā)能夠替代傳統(tǒng)NiCoCrAlY合金在1200℃下具有優(yōu)異抗氧化性能的下一代熱障涂層粘結(jié)層材料方面取得了重要突破。

　　本研究創(chuàng)新性地提出一種“微結(jié)構(gòu)調(diào)控與熵工程協(xié)同”的雙重策略，從氧化過程兩個(gè)關(guān)鍵階段入手實(shí)現(xiàn)性能突破：(1)通過熱力學(xué)計(jì)算確定共晶鋁含量，設(shè)計(jì)出具有精細(xì)層狀組織的合金，在氧化初期顯著增強(qiáng)鋁供應(yīng)，降低形成單一α-Al2O3膜的臨界鋁濃度，從而促進(jìn)連續(xù)、致密保護(hù)性氧化層的快速形成；(2)通過調(diào)整Co、Cr與Ni的比例，最大化體系構(gòu)型熵，在熱生長(zhǎng)氧化層下方的鋁耗盡區(qū)(Al-depletion zone, ADZ)內(nèi)引入強(qiáng)烈的晶格畸變。這種高熵效應(yīng)帶來的晶格畸變能夠提高空位形成能、增加鋁原子遷移勢(shì)壘，從而有效抑制鋁在穩(wěn)態(tài)氧化階段的擴(kuò)散速率。

　　基于上述策略，團(tuán)隊(duì)成功研制出新型NiCoCrAlYHf多主元合金(Multi-Principal Element Alloy, MPEA)。在 1200℃、500 小時(shí)的等溫氧化實(shí)驗(yàn)中，新型合金的氧化增重顯著低于傳統(tǒng)合金，其氧化速率常數(shù)僅為 1.28×10?¹² g²·cm??·s?¹，比傳統(tǒng)合金低約 59%。更為重要的是，在循環(huán)氧化測(cè)試中，傳統(tǒng)合金在 70 小時(shí)后就出現(xiàn)氧化膜剝落，500 小時(shí)后剝落面積超過 40%，而新型合金在整個(gè)測(cè)試周期內(nèi)剝落面積小于 2%，展現(xiàn)出卓越的膜層結(jié)合力與抗剝落性能。這一進(jìn)展為發(fā)展下一代能在極端溫度下穩(wěn)定服役的熱障涂層粘結(jié)層材料，奠定了關(guān)鍵的材料基礎(chǔ)與設(shè)計(jì)范式。

　　相關(guān)研究成果以“Outstanding 1200 ℃ Oxidation Resistance in a Novel Multi-Principal Element Alloy via Lattice Distortion-Induced Diffusion Suppression”發(fā)表于Advanced Science, 2026 (0): e22526。博士生張新宇為第一作者，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所呂威閆高級(jí)工程師、王建強(qiáng)研究員和沈陽工業(yè)大學(xué)邱克強(qiáng)教授為共同通訊作者。

　　上述工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、遼寧省中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展專項(xiàng)等項(xiàng)目的資助。

　　圖1：共晶多主元合金的設(shè)計(jì)：(a) Ni50-xCo25Cr25Alx體系的偽二元相圖；(b) 共晶多主元合金Ni32Co25Cr25Al18的平衡相隨溫度的分?jǐn)?shù)；(c) 商用MCrAlY合金體系 Ni63.8-xCo19.7Cr16.5Alx 的偽二元相圖；(d) 商用MCrAlY合金 (Ni41.3Co19.7Cr16.5Al22.5) 的平衡相隨溫度的分?jǐn)?shù)。

　　圖2：MPEA和商用MCrAlY合金的微觀結(jié)構(gòu)表征：(a, b) SEM圖像顯示MPEA中的層狀微觀結(jié)構(gòu)，不同于商用MCrAlY中典型的橢球狀微觀結(jié)構(gòu)；(c) MPEA的TEM圖像；c1, c2): c中標(biāo)記為f1和f2的區(qū)域的FFT；(d) MCrAlY的TEM圖像；h1, h2): d中標(biāo)記為h1和h2的區(qū)域的FFT；(e) 圖c的STEM-EDS圖譜顯示β相中存在富Cr納米沉淀物；(f) 圖d中插圖區(qū)域的STEM-EDS圖譜顯示，在MCrAlY的β相中沒有富Cr納米沉淀物。

　　圖3：在1200℃條件下對(duì)MPEA和MCrAlY的抗氧化性能分析：(a) MPEA和MCrAlY在1200℃下的等溫氧化動(dòng)力學(xué)曲線；(b) 1200℃循環(huán)氧化過程中氧化剝落面積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化情況，表明MPEA的氧化膜附著力優(yōu)于MCrAlY；(c) MPEA與現(xiàn)有Al2O3成形合金的氧化速率常數(shù)(kp)對(duì)比。

　　圖4：兩種合金ADZ中的晶格畸變和Al擴(kuò)散速率的第一性原理分析：(a, b) 弛豫后的MCrAlY (a)和MPEA (b)的ADZ超胞結(jié)構(gòu)；(c) 箱形圖顯示了超胞結(jié)構(gòu)中不同原子對(duì)的1NN鍵長(zhǎng)分布；(d, e) 兩種合金ADZ的HRTEM圖像；(f, g) GPA方法獲取的HRTEM圖像的原子尺度應(yīng)變分布圖；(h) 通過 CI-NEB 方法計(jì)算的Al在ADZ中擴(kuò)散的能量勢(shì)壘；(i, j) 實(shí)驗(yàn)獲得的兩種合金合金從ADZ到Al2O3膜的Al濃度分布圖；(k, l) 基于圖i和圖j中濃度曲線利用Boltzmann-Matano方法計(jì)算得出的兩種合金ADZ中Al的擴(kuò)散系數(shù)D(c*)。

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