《Surface and Coatings Technology》：Effects of Y element on hot corrosion behavior of NiAlHf coatings exposed to NaCl+Na
2SO
4
编辑推荐：
本研究采用电弧离子镀制备Y掺杂NiAlHf涂层，模拟900℃含25% NaCl和75% Na2SO4海盐环境腐蚀。实验表明Y掺杂涂层腐蚀速率降低（18.19 vs 6.70 mg/cm2·100h），表面及截面显示更致密连续氧化层，源于Y对S的强pinning效应抑制其扩散，并增强氧化层屏障作用。机制分析揭示Y掺杂优化涂层耐高温腐蚀性能。
李晓雅|杨宏志|林松生|戴明江|郑彩凤|姚碧霞|邹建鹏|施倩
广东省科学院新材料研究所，现代材料表面工程技术国家工程实验室，广东省现代表面工程技术重点实验室，广州，510651，中国
摘要
为了提高NiAlHf涂层在高温海洋环境中的热腐蚀抗性，采用电弧离子镀法制备了掺钇的NiAlHf涂层，并研究了其在900°C下暴露于混合熔盐（25 wt% NaCl+75 wt% Na?SO?）中的腐蚀行为。结果表明，掺钇涂层具有更好的耐腐蚀性，这从表面和截面形态可以看出，腐蚀后形成的氧化膜更加致密且连续。这种增强效果归因于钇对硫的有效“钉扎”作用，由于钇与硫的结合能（Y-S单键）高于其他合金元素，从而抑制了硫向内部的扩散。此外，NiAlHfY涂层上形成的更致密的氧化膜能够更有效地阻挡腐蚀性离子的渗透，进一步减轻了热腐蚀的负面影响。本文详细讨论了热腐蚀的机制。
引言
近年来，人们开展了大量研究，以提高燃气轮机发动机的效率、耐用性和运行性能，特别是其抗腐蚀和抗氧化性能。这些研究包括对钙镁铝硅酸盐（CMAS）腐蚀、五氧化二钒（V?O?）和硫酸钠（Na?SO?）腐蚀的抵抗能力[1]，以及45%Na?SO?和55%V?O?混合物[2][3]和30%NaCl+35%V?O?+35%Na?SO?混合物[4]引起的腐蚀。航空发动机的热端部件在海上或沿海海洋环境中极易受到严重氧化和热腐蚀[5][6]。由于热腐蚀可能导致这些部件过早失效，因此在它们上涂覆保护涂层对于确保运行安全至关重要。尽管NiAlHf涂层具有优异的抗氧化性能，但在含Na?SO?和NaCl的环境中其热腐蚀抗性较差，导致其迅速退化[7][8][9]。
许多研究致力于探讨活性元素（Zr、Y、La、Pt和Si）对涂层耐腐蚀性的影响。例如，Jiang等人[10]利用密度泛函理论（DFT）模拟了Hf改性NiAl涂层在高温盐雾环境中的耐腐蚀性，结果表明Pt对腐蚀性离子具有显著的化学惰性，而Hf可以增强界面拉伸强度，但可能增加内部腐蚀的风险。Wang等人[11]发现Ta在腐蚀过程中会发生氧化和硫化，导致空洞的形成，而Y元素可以抑制这些缺陷的产生，并促进更连续、更致密的氧化膜的形成。S.T. Vagge[12]也报告称，在涂层中添加钇、铪和铂是有益的，尤其是粘结层中的钇成分可以显著减缓TGO的生长速率。此外，A.R. Patil[13]还指出，Cr?O?、TiO?、NiCr?O?等保护性氧化物的存在可以防止样品进一步腐蚀。
多项研究表明，两种活性元素的共同添加会产生“协同效应”，从而比单独添加一种元素时具有更好的抗氧化性能[14][15][16]。例如，掺入0.05 at.%的Hf可以提高β-NiAl涂层的抗氧化性能，而相同浓度的Y掺杂可以改善其抗剥落性能[17]。然而，关于涂层在海洋大气环境中的腐蚀行为和腐蚀产物的研究仍然较少，尤其是基于NiAlHf的涂层[7][18]。Zhang等人[19]通过第一性原理计算发现，在α-Al?O?/β-NiAl界面存在硫的情况下，Y在α-Al?O?/β-NiAl-S界面上的界面粘附力最强，这表明Y对硫的钉扎作用更强。因此，有必要进一步研究掺钇NiAlHf涂层在高温熔盐环境中的腐蚀行为和抗性。
本文通过使用25 wt% NaCl和75 wt% Na?SO?的混合盐来模拟涡轮叶片在900°C下的服役环境，系统研究了掺钇NiAlHf涂层的腐蚀行为。通过结合腐蚀动力学（重量增重曲线）和微观结构演变的具体表征，阐明了NiAlHf和NiAlHfY涂层的熔盐腐蚀机制。这项工作为开发高性能、耐腐蚀的保护涂层提供了重要的实验数据和理论基础。
材料与涂层制备
所使用的基底材料是第二代镍基单晶超级合金（品牌：N5，由中国科学院金属研究所提供），其详细化学成分见表1。直径为14 mm、厚度为2 mm的圆盘形基底依次用800#、1200#、2000# SiC砂纸打磨，然后进行超声清洗。相应的涂层厚度约为30 μm，通过...
热腐蚀动力学
图1显示了两种涂层在900°C下暴露于混合熔盐100小时后的腐蚀重量增重曲线。净质量增重反映了热腐蚀过程中氧化膜形成、溶解和剥落的综合效应。NiAlHf和NiAlHfY涂层的最终重量增重分别为18.19 mg·cm?2和6.70 mg·cm?2，因此NiAlHf涂层的热腐蚀速率明显高于NiAlHfY涂层。
结论
- (1)
NiAlHf和NiAlHfY涂层的腐蚀重量增重分别为18.19 mg·cm?2和6.70 mg·cm?2，NiAlHf涂层的腐蚀速率高于NiAlHfY涂层。
- (2)
在腐蚀的最初0–20小时内，NiAlHfY涂层上形成的腐蚀产物比NiAlHf涂层更致密，从而更有效地阻止了腐蚀物质的内部扩散。经过100小时的暴露后，NiAlHfY涂层的腐蚀深度较浅。
作者贡献声明
李晓雅：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，资源获取，实验研究。
杨宏志：软件使用，数据管理。
林松生：软件使用，资金获取。
戴明江：监督，项目管理。
郑彩凤：验证，概念构思。
姚碧霞：可视化，软件使用。
邹建鹏：可视化，资金获取。
施倩：撰写 – 审稿与编辑，监督，方法论。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本工作得到了广东省科技发展计划（项目编号：2020GDASYL-20200102030）、广东省专项支持计划（项目编号：2019BT02C629）、广东省科技计划（项目编号：2023B1212060045）、广东省科技发展计划（项目编号：2022GDASZH-2022010109）、广东省自然科学基金（项目编号：2016A030312015）、长沙市自然科学基金（项目编号：kq2208270）、湖南省自然科学基金（项目编号：2022JJ40448）的支持。
