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(zhuǎn)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(gòu)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(jié)層”尤為關(guān)鍵：它既要緩解因熱膨脹系數(shù)不匹配引起的應(yīng)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(nèi)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(jié)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(dāng)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(dǎo)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(jié)層材料。
為解決上述難題，近期，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心序構(gòu)金屬材料研究部聯(lián)合高溫合金研究部、北京大學(xué)王選計算機所、沈陽工業(yè)大學(xué)，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(jié)層材料方面取得了突破。
本研究創(chuàng)新性地提出一種“微結(jié)構(gòu)調(diào)控與熵工程協(xié)同”的雙重策略，從氧化過程兩個關(guān)鍵階段入手實現(xiàn)性能突破：（1）通過熱力學(xué)計算確定共晶鋁含量，設(shè)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(yīng)，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(diào)整Co、Cr與Ni的比例，最大化體系構(gòu)型熵，在熱生長氧化層下方的鋁耗盡區(qū)（Al-depletion zone, ADZ）內(nèi)引入強烈的晶格畸變。這種高熵效應(yīng)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(nèi)剝落面積小于 2%，展現(xiàn)出卓越的膜層結(jié)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(jié)層材料，奠定了關(guān)鍵的材料基礎(chǔ)與設(shè)計范式。
相關(guān)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(xué)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(xué)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(xué)基金項目、遼寧省中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展專項等項目的資助。
