梯度纳米结构Hf-Ta-C涂层的有限温度氧化行为与微观结构演化机制研究

针对TA15合金在高温摩擦中因二元碳化物涂层快速氧化剥落导致保护失效的问题，研究人员通过双辉等离子合金化(DGPA)技术制备了梯度纳米结构Hf-Ta-C固溶涂层。结果表明，该涂层氧化速率常数(k=3.96×10-5 mg2/cm4·s)显著低于HfC和TaC，且形成的韧性Hf6Ta2O17抑制裂纹扩展，为高温抗氧化涂层设计提供新思路。

　　

钛合金TA15因其轻质高强特性广泛应用于航空发动机等高温环境，但其表面硬度和抗氧化性能不足，长期服役时易因氧化产物剥落和热机械应力导致失效。传统二元碳化物涂层（如HfC）虽能提升硬度，但在873K以上会形成多孔氧化层而丧失保护作用。更棘手的是，涂层与基体热膨胀系数差异（TA15：7-9×10^-6 K^?1，碳化物：5-7×10^-6 K^?1）引发的应力集中会加速涂层剥离。如何协同优化涂层的抗氧化性、力学性能和界面结合力，成为亟待突破的技术瓶颈。

南京航空航天大学团队创新性地采用双辉等离子合金化(DGPA)技术，在TA15合金表面制备出梯度纳米结构Hf-Ta-C固溶涂层，并与二元HfC、TaC涂层对比研究。该工作通过第一性原理计算结合高温氧化实验，揭示了Ta掺杂降低氧吸附能（Hf-Ta-C：-4.34 eV vs HfC：-6.16 eV）的机制，发现涂层表面形成的Hf₆Ta₂O₁₇可有效抑制裂纹。相关成果发表于《Applied Surface Science》。

关键技术包括：1) DGPA制备梯度纳米结构涂层；2) 873-973K区间50小时氧化实验；3) 第一性原理计算氧吸附能与弹性性质；4) XRD、SEM、EDS等表征氧化产物与微观结构。

【研究结果】
Preparation of Hf-Ta-C coatings
通过DGPA技术成功制备厚度约9μm的Hf-Ta-C涂层，Hf/Ta原子比接近2:1，形成单相面心立方(FCC)固溶结构。

Initial sample characterization
截面SEM显示涂层呈梯度纳米结构，晶粒尺寸从界面到表面递减（50nm→20nm），符合Hall-Petch关系，硬度达28.7GPa且断裂韧性优于二元涂层。

Discussion
氧化动力学分析表明，Hf-Ta-C的抛物线速率常数(k)仅为HfC的21.9%，归因于：1) Ta⁵⁺掺杂抑制氧空位扩散；2) 梯度结构缓解热应力；3) Hf₆Ta₂O₁₇的塑性变形能力阻碍裂纹扩展。

Conclusion
研究证实梯度纳米结构设计可协同提升涂层的抗氧化性（873K氧化50h增重仅1.42mg/cm²）和界面结合强度，其氧扩散激活能(142kJ/mol)较HfC提高37%，为新一代高温防护涂层开发提供理论依据。

该工作的创新性在于：首次将梯度纳米结构设计与固溶强化效应结合，通过原子尺度调控（Hf/Ta≈2:1）实现抗氧化-力学性能协同优化，突破传统涂层"高硬度-低韧性"的矛盾。研究成果对航空发动机热端部件表面防护技术发展具有重要指导意义。