突破1100℃壁垒！金属所等研发新型多主元合金，实现1200℃超强抗氧化

2026-07-14 17:08:47 作者：材料强化与防护来源：材料强化与防护分享至：

发展能在更高温度下稳定工作的结构材料，是提升航空发动机推重比的关键。热障涂层（TBCs）中的金属粘结层至关重要，其核心功能是在高温下形成连续、致密且稳定的氧化铝（Al2O3）保护层（即TGO）。目前广泛使用的商用MCrAlY粘结层合金在超过1100℃时，氧化速率会急剧加快，导致TGO过度增厚。一旦TGO/合金界面累积的弹性应变能超过氧化层和界面的断裂韧性，就会发生灾难性的TGO剥落，导致涂层整体失效。因此，开发能在接近1200℃下保持优异抗氧化性和TGO稳定性的新型粘结层材料，是发展下一代涡轮发动机的迫切需求。

近日，中科院金属所、沈阳工业大学及北京大学的研究团队在材料领域的国际期刊《Advanced Science》上发表了一篇题为“Outstanding 1200 ◦C Oxidation Resistance in a Novel Multi-Principal Element Alloy via Lattice Distortion-Induced Diffusion Suppression”的研究论文。在该论文中，团队设计出一种Y和Hf共掺杂的Ni32Co25Cr25Al18多主元合金（MPEA），在1200℃氧化500小时后，其热生长氧化物（TGO）的生长速率比商用NiCoCrAlY（MCrAlY）合金降低了59%，且几乎不发生TGO剥落，性能远超现有商用材料，为下一代高推重比航空发动机热障涂层粘结层材料的设计提供了全新的思路和极具潜力的候选材料。

文章链接：

https://doi.org/10.1002/advs.202522526

【核心内容】

该研究提出了一种“双管齐下”的合金设计策略，以同时攻克抗氧化过程中的两个关键阶段：

在初始氧化阶段，通过共晶微观结构设计，促进铝（Al）的选择性氧化，快速形成单一连续的Al2O3保护层；
在长期稳态氧化阶段，通过引入高构型熵诱导的严重晶格畸变，抑制铝在铝耗尽区（ADZ）的扩散速率，从而延缓TGO的生长。

基于此策略设计的Ni32Co25Cr25Al18 MPEA，在成分上与商用MCrAlY相近，避免了高Fe或高Al带来的有害互扩散问题，但其微观结构和原子尺度扩散行为得到了根本性优化。

【研究成果】

① 独特的共晶层状微观结构

团队通过CALPHAD计算和实验验证，所设计的MPEA在18at.% Al处形成共晶点，获得了精细的FCC（γ相）/BCC（β-NiAl相）层状共晶组织。这种层状结构显著增大了β相的纵横比，优化了初始氧化阶段的铝供给路径，有效降低了形成单一Al2O3保护层所需的临界铝浓度。

合金设计、相图计算与微观结构表征

② 卓越的1200℃抗氧化与抗剥落性能

在1200℃下进行500小时等温及循环氧化测试表明，MPEA的氧化增重曲线始终保持抛物线规律，且无明显剥落。其氧化速率常数（kp）低至 1.28×10−12g2cm−4s−1，比MCrAlY 3.11×10−12g2cm−4s−1降低了58%。循环氧化500小时后，MPEA的氧化层剥落面积不足2%，而MCrAlY的剥落面积已超过40%，表明MPEA具有显著优越的长期服役稳定性。

1200 ℃氧化动力学、剥落行为及氧化速率对比

③ 致密、完整且更薄的氧化层

氧化500小时后，MPEA表面形成了连续、完整且厚度仅为8.04μm的Al2O3氧化层，与基体结合良好，无界面剥离。相比之下，MCrAlY的氧化层更厚（11.25 μm），且存在严重的界面分层和内部氧化区。更薄的氧化层和更佳的界面完整性直接对应于MPEA更低的氧化动力学和更强的抗剥落能力。

1200°C氧化500小时后氧化膜的微观结构表征

④ 更低的氧化层残余应力

利用光致发光压谱技术（PLPS）测量发现，MPEA的Al2O3氧化层内平均残余压应力约为-7.4GPa，且分布均匀，而MCrAlY的氧化层内应力更高（~-8.0GPa），且存在更显著的高应力集中区，这些区域易成为裂纹萌生点，加速剥落，MPEA更低的残余应力和均匀的应力分布是其抗剥落性能优越的另一关键原因。

氧化膜中的残余应力分析及剥落行为关联

⑤ 初始快速形成单一Al2O3保护层

氧化仅3分钟后，MPEA的γ相和β相表面均形成了厚度相近（约270nm）的致密氧化物，主要为Al2O3，而MCrAlY的γ相表面则形成了更厚的约1100nm的双层氧化物，内层为Al2O3，外层为多孔非保护性的(Ni,Co)Cr2O4尖晶石。这证实了MPEA的共晶层状结构确实在氧化伊始就促进了单一Al2O3保护层的快速形成。

初始氧化阶段（3分钟）的氧化膜形成过程与机理

⑥ 晶格畸变抑制铝扩散的机制阐释

MPEA的铝耗尽区（ADZ）内具有更严重的晶格畸变，提高了该区域内空位形成能和铝原子迁移能垒，玻尔兹曼-马塔诺（Boltzmann-Matano）分析进一步证实，MPEA的ADZ内铝的平均扩散系数低于MCrAlY，这种熵驱动的扩散抑制机制，是MPEA在长期氧化阶段能保持极低TGO生长速率的内在原因。