【儀表網 研發(fā)快訊】航空發(fā)動機是工業(yè)皇冠上的明珠，其核心渦輪葉片必須在高溫、高壓、高轉速的極端環(huán)境下長期穩(wěn)定工作，這對材料的耐溫與抗氧化能力構成了嚴峻挑戰(zhàn)。隨著現(xiàn)代航空發(fā)動機向更高推重比、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“粘結層”尤為關鍵：它既要緩解因熱膨脹系數(shù)不匹配引起的應力，也要通過自身氧化形成連續(xù)、致密的熱生長氧化層(TGO)，從而阻隔氧氣向內擴散，保護基體免受高溫腐蝕。
 

　　自上世紀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，成為熱障涂層粘結層的首選材料。然而，該體系存在一個長期未能突破的瓶頸：當溫度超過1100℃時，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)動機的研制進程。面對下一代航空發(fā)動機對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)定服役的新型粘結層材料。
 

　　為解決上述難題，近期，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心序構金屬材料研究部聯(lián)合高溫合金研究部、北京大學王選計算機所、沈陽工業(yè)大學，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“微結構調控與熵工程協(xié)同”的雙重策略，從氧化過程兩個關鍵階段入手實現(xiàn)性能突破：(1)通過熱力學計算確定共晶鋁含量，設計出具有精細層狀組織的合金，在氧化初期顯著增強鋁供應，降低形成單一α-Al2O3膜的臨界鋁濃度，從而促進連續(xù)、致密保護性氧化層的快速形成；(2)通過調整Co、Cr與Ni的比例，最大化體系構型熵，在熱生長氧化層下方的鋁耗盡區(qū)(Al-depletion zone, ADZ)內引入強烈的晶格畸變。這種高熵效應帶來的晶格畸變能夠提高空位形成能、增加鋁原子遷移勢壘，從而有效抑制鋁在穩(wěn)態(tài)氧化階段的擴散速率。
 

　　基于上述策略，團隊成功研制出新型NiCoCrAlYHf多主元合金(Multi-Principal Element Alloy, MPEA)。在 1200℃、500 小時的等溫氧化實驗中，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)氧化測試中，傳統(tǒng)合金在 70 小時后就出現(xiàn)氧化膜剝落，500 小時后剝落面積超過 40%，而新型合金在整個測試周期內剝落面積小于 2%，展現(xiàn)出卓越的膜層結合力與抗剝落性能。這一進展為發(fā)展下一代能在極端溫度下穩(wěn)定服役的熱障涂層粘結層材料，奠定了關鍵的材料基礎與設計范式。
 

　　相關研究成果以“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，中國科學院金屬研究所呂威閆高級工程師、王建強研究員和沈陽工業(yè)大學邱克強教授為共同通訊作者。
 

　　上述工作得到了國家自然科學基金項目、遼寧省中央引導地方科技發(fā)展專項等項目的資助。
 

　　圖1：共晶多主元合金的設計：(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數(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數(shù)。
 

　　圖2：MPEA和商用MCrAlY合金的微觀結構表征：(a, b) SEM圖像顯示MPEA中的層狀微觀結構，不同于商用MCrAlY中典型的橢球狀微觀結構；(c) MPEA的TEM圖像；c1, c2): c中標記為f1和f2的區(qū)域的FFT；(d) MCrAlY的TEM圖像；h1, h2): d中標記為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MPEA和MCrAlY的抗氧化性能分析：(a) MPEA和MCrAlY在1200℃下的等溫氧化動力學曲線；(b) 1200℃循環(huán)氧化過程中氧化剝落面積分數(shù)隨時間的變化情況，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)對比。
 

　　圖4：兩種合金ADZ中的晶格畸變和Al擴散速率的第一性原理分析：(a, b) 弛豫后的MCrAlY (a)和MPEA (b)的ADZ超胞結構；(c) 箱形圖顯示了超胞結構中不同原子對的1NN鍵長分布；(d, e) 兩種合金ADZ的HRTEM圖像；(f, g) GPA方法獲取的HRTEM圖像的原子尺度應變分布圖；(h) 通過 CI-NEB 方法計算的Al在ADZ中擴散的能量勢壘；(i, j) 實驗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方法計算得出的兩種合金ADZ中Al的擴散系數(shù)D(c*)。