晶格畸变诱导扩散抑制实现新型多主元合金1200°C超常抗氧化性

《Advanced Science》：Outstanding 1200 °C Oxidation Resistance in a Novel Multi-Principal Element Alloy via Lattice Distortion-Induced Diffusion Suppression

本综述系统阐述了新型多主元合金（MPEA）通过晶格畸变诱导扩散抑制机制，在1200°C极端温度下实现突破性抗氧化性能的创新成果。研究通过共掺杂Y/Hf的NiCoCrAl型MPEA设计，相比传统MCrAlY合金降低59%的热生长氧化物（TGO）生长速率，且500小时测试后无显著剥落，为下一代航空发动机热障涂层（TBC）粘结层材料提供了全新设计范式。

　　

引言

随着航空发动机推重比不断提升，涡轮进口温度持续升高，对高温结构材料提出更苛刻要求。商用MCrAlY合金作为热障涂层系统的关键粘结层材料，在1100°C以上会出现加速氧化和剥落问题。传统改进策略如添加活性元素、晶粒细化、铂合金化等方法均无法满足1200°C下的性能需求。多主元合金体系因其独特的熵效应和晶格畸变特性，为突破这一温度极限提供了新思路。

材料设计与表征

研究团队通过CALPHAD相图计算设计了Ni₃₂Co₂₅Cr₂₅Al₁₈成分的多主元合金，该成分在18 at.% Al处形成共晶结构。X射线衍射和扫描电镜分析证实MPEA呈现典型的层状共晶微观结构，而传统MCrAlY合金则呈现椭球状形貌。透射电镜分析进一步揭示MPEA的β相中存在纳米级α-Cr析出相，这一特征在MCrAlY中完全缺失。几何相位分析表明，MPEA的β相和γ相高应变区域面积分别比MCrAlY大68.5%和10.7%，证实了更强的晶格畸变。

抗氧化性能评估

在1200°C等温氧化实验中，MPEA表现出显著的抗氧化优势。500小时测试后，MPEA的氧化增重曲线保持抛物线规律，氧化速率常数为1.28×10^?12g²cm^?4s^?1，比MCrAlY降低58%。循环氧化测试中，MPEA的氧化层剥落面积始终低于2%，而MCrAlY在300小时即达到15%的剥落，500小时后超过40%。与现有Al₂O₃形成合金相比，MPEA在保持低成本的同时避免了高Fe或高Al含量带来的基体互扩散问题。

氧化层结构与机理分析

氧化500小时后，MPEA表面形成完整连续的8.04μm厚Al₂O₃氧化层，界面无缺陷和分层。而MCrAlY的氧化层厚度达11.25μm，且存在明显界面剥离和内氧化区。光致发光压电光谱分析显示，MPEA氧化层残余应力为-7.4GPa，低于MCrAlY的-8.0GPa，且应力分布更均匀，这是其优异抗剥落性能的关键。

初始氧化阶段的保护性氧化层演化

在1200°C氧化3分钟后，MPEA的β相和γ相表面均形成厚度约270nm的致密Al₂O₃氧化层。而MCrAlY的γ相表面则形成1100nm厚的双层氧化结构，内层为Al₂O₃，外层为多孔的(NiCo)Cr₂O₄尖晶石。理论计算表明，MPEA的层状结构将γ相表面形成专属Al₂O₃的临界铝浓度降低至9.8 at.%，而实际铝含量达13.0 at.%，这是其快速形成保护性氧化层的关键。

后期氧化阶段的氧化层生长抑制机制

第一性原理计算表明，MPEA的铝耗竭区（ADZ）晶格畸变程度（0.0862?）显著高于MCrAlY（0.0591?）。这种增强的晶格畸变使空位形成能从1.84eV提升至1.98eV，铝迁移势垒从0.31eV增加至0.65eV。玻尔兹曼-马塔诺分析进一步证实，MPEA中铝的平均扩散系数（7.7×10^?18m²/s）远低于MCrAlY（1.6×10^?17m²/s），从而有效抑制了氧化层的持续生长。

结论

本研究通过双管齐下的策略成功设计了具有卓越1200°C抗氧化性能的多主元合金：一方面利用共晶微观结构促进初始选择性氧化，快速形成保护性Al₂O₃氧化层；另一方面通过熵增强的晶格畸变抑制铝耗竭区内的元素扩散。这种材料设计理念为开发下一代超高温抗氧化材料提供了重要范式，在航空发动机热障涂层系统领域具有广阔应用前景。