MCrAlY（M=Fe,Co,Ni等）合金由于其優異的抗氧化和抗腐蝕性能(néng)，作爲熱障塗層的粘結層材料或單層塗層材料在航空發(fā)動機熱端部件中得到了廣泛應用。該類合金優異的抗氧化和抗腐蝕性能(néng)主要歸因于在寬溫域範圍内，其表面(miàn)都(dōu)能(néng)夠形成(chéng)一層穩定、緻密且連續的氧化物保護膜（以Al2O3和Cr2O3爲主）。然而，在苛刻海洋環境中，除了潮濕空氣的氧化，發(fā)動機部件還(hái)會遭到高腐蝕性氯鹽的侵蝕。前期研究表明，Cr2O3在高溫下與NaCl和H2O發(fā)生反應，導緻連續氧化物保護膜被(bèi)破壞，從而嚴重縮減發(fā)動機壽命。因此，必須爲發(fā)動機部件開(kāi)發(fā)一種(zhǒng)新型高溫腐蝕防護塗層，以滿足高鹽高濕熱苛刻海洋環境服役需求。
近期，中國(guó)科學(xué)院海洋新材料與應用技術重點實驗室選取Si作爲Cr的替代元素，開(kāi)發(fā)了新型NiSiAlY材料體系的相圖熱力學(xué)數據庫。該數據庫中共有6個二元系、4個三元系，36個二元化合物、40個三元化合物，其中，采用亞點陣模型準确地描述了4個三元化合物的固溶度範圍，計算得到了實驗驗證。針對(duì)NiSiAlY材料成(chéng)分的選取，不同于傳統“試錯法”（需要500個以上實驗），研究人員通過(guò)耦合相圖計算CALPHAD、第一性原理和關鍵實驗（3個實驗）的方法，闡述了一種(zhǒng)從成(chéng)分-結構-性能(néng)相圖出發(fā)設計新材料的研究思路。面(miàn)向(xiàng)苛刻海洋服役環境，提出了新型NiSiAlY材料體系需在500～1000℃的寬溫域範圍内具有較好(hǎo)的力學(xué)性能(néng)、良好(hǎo)的耐腐蝕性能(néng)、優異的抗氧化性能(néng)，基于相圖高效設計了NiSiAlY成(chéng)分區間，即Si：約1～5 wt.%，Al：約11～20 wt.%，Y：約1 wt.%。綜上，研究工作在熱/動力學(xué)基礎理論上構建了NiSiAlY成(chéng)分-結構-性能(néng)關系并詳細闡述了基于相圖設計新材料的過(guò)程，爲高效研發(fā)其他苛刻環境服役材料提供了一種(zhǒng)可借鑒的思路。
相關工作以“Design of novel NiSiAlY alloys in marine salt-spray environment: (Part I. Al-Si-Y and Ni-Si-Y subsystems; Part II. Al-Ni-Si-Y thermodynamic dataset)” 爲題在Journal of Materials Science & Technology上發(fā)表論文2篇【J. Mater. Sci. Technol. 88 (2021) 66-78；J. Mater. Sci. Technol. 89 (2021)186-198】。論文第一作者爲中科院甯波材料所徐凱博士，通訊作者爲中科院甯波材料所常可可研究員、王立平研究員，合作作者包括中南大學(xué)教授杜勇等。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（51971235）、浙江省自然科學(xué)基金（LQ20E010004）、國(guó)家科技重大專項（2017-VII-0012-0107）、甯波市3315創新團隊（2019A-18-C）等的支持。
基于相圖設計NiSiAlY材料的研究思路
（海洋實驗室 徐凱 常可可）
