高速激光熔覆原位制备氧化物弥散强化AlCoCrFeNi2.1 复合涂层的微观结构演变与高温氧化行为研究

为解决传统热障涂层(TBCs)在极端高温环境下的氧化失效问题，研究人员通过高速激光熔覆(HSLC)技术原位制备了Y2 Hf2 O7 纳米颗粒强化的AlCoCrFeNi2.1 复合涂层。研究发现该涂层在1000-1100°C下表现出优于传统NiCoCrAlY涂层的抗氧化性能，其热生长氧化物(TGO)层生长速率降低50%，界面韧性显著提升。该研究为新一代航空发动机低成本抗氧化涂层开发提供了新思路。

　　

在航空发动机和燃气轮机领域，高温氧化是导致热障涂层(Thermal Barrier Coatings, TBCs)失效的首要因素。传统NiCoCrAlY涂层虽广泛应用，但在1000°C以上长期服役时会出现热生长氧化物(Thermally-Grown Oxide, TGO)层快速增厚、界面剥离等问题。与此同时，高熵合金(High-Entropy Alloys, HEAs)因其独特的"鸡尾酒效应"展现出优异的高温性能，但单相HEAs往往面临强度-塑性倒置的困境。AlCoCrFeNi_2.1
共晶高熵合金(Eutectic High-Entropy Alloy, EHEA)因其理想的强塑性平衡成为候选材料，然而如何通过纳米强化进一步提升其抗氧化性能仍是未解难题。

为解决这一系列问题，中国研究人员采用创新性的高速激光熔覆(High-Speed Laser Cladding, HSLC)技术，通过调控熔池马兰戈尼(Marangoni)对流强度，成功原位制备出Y₂
Hf₂
O₇
纳米颗粒弥散强化的AlCoCrFeNi_2.1
复合涂层。该研究系统揭示了涂层在1000-1200°C下的长期氧化行为与失效机制，相关成果发表在《Journal of Materials Science》上。

关键技术方法包括：采用15-53μm的Y/Hf共掺杂AlCoCrFeNi_2.1
预合金粉末，在GH4169基体上进行HSLC沉积；通过Abaqus软件模拟熔池温度场；采用X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)分析微观结构；在1000/1100/1200°C下进行长达200小时等温氧化实验。

【涂层制备】
通过HSLC工艺参数优化，实现熔池内O₂
的定向渗透，诱导形成平均尺寸80nm的Y₂
Hf₂
O₇
纳米颗粒，体积分数达3.2%。

【有限元模拟】
温度场模拟显示熔池中心最高温度达2100°C，强烈的马兰戈尼对流促使O₂
向熔池内部输运，为原位反应创造动力学条件。

【微观结构特征】
涂层呈现典型的FCC(面心立方)/BCC(体心立方)双相共晶结构，Y₂
Hf₂
O₇
纳米颗粒优先沿相界分布，孔隙率低于0.5%。

【氧化行为】
在1000°C氧化200小时后，涂层表面形成连续致密的Al₂
O₃
层，氧化增重仅为NiCoCrAlY涂层的40%；1200°C下因形成粗大Al₂
Y₄
O₉
氧化物团簇导致快速失效。

【失效机制】
Y₂
Hf₂
O₇
纳米颗粒通过三重作用提升性能：降低TGO生长速率(0.12mg/cm²
·h)、缓解热膨胀失配应力(CTE差值减小60%)、增强界面断裂韧性(提升2.3倍)。

该研究首次阐明了HSLC过程中马兰戈尼对流调控纳米氧化物原位形成的机理，开发的ODS AlCoCrFeNi_2.1
复合涂层在1100°C下的服役寿命较传统涂层提升300%，为新一代航空发动机涂层设计提供了理论依据和工艺范式。特别值得注意的是，通过避免传统热喷涂工艺的孔隙缺陷(＜0.5% vs 3-5%)，该技术从根本上解决了涂层内部氧化难题，具有重要的工程应用价值。