锆/镝掺杂对NiCrAlY涂层高温抗氧化性能的调控机制与工程应用研究

本研究针对燃气轮机热端部件用MCrAlY涂层的高温氧化失效问题，通过电弧离子镀技术制备了Zr/Dy掺杂的NiCrAlY涂层。研究发现Dy掺杂使氧化速率降至4.10×10-3 mg-2·cm-4·h-1，形成AlDyO3"氧化钉"强化界面结合；Zr掺杂则能抑制涂层/基体互扩散。该成果为防护涂层活性元素选择提供了重要理论依据。

　　

在燃气轮机等高温装备领域，MCrAlY涂层作为热障涂层(Thermal Barrier Coatings, TBCs)的关键粘结层，其抗氧化性能直接决定部件寿命。尽管通过添加钇(Y)等活性元素(Reactive Elements, RE)可改善Al₂O₃膜粘附性，但如何平衡氧化速率控制与涂层/基体互扩散仍是亟待解决的难题。特别是对于锆(Zr)、镝(Dy)等新型活性元素，其在NiCrAlY涂层中的作用机制尚不明确。广东某研究团队在《Materials Today Communications》发表的研究，系统揭示了Zr/Dy掺杂对涂层性能的差异化调控规律。

研究采用电弧离子镀(Arc Ion Plating, AIP)技术在镍基单晶高温合金上制备了三种涂层：基础NiCrAlY、Zr掺杂NiCrAlYZr和Dy掺杂NiCrAlYDy。通过1050℃静态空气环境中的恒温氧化实验，结合显微结构表征技术，重点分析了氧化动力学、氧化物形貌演变及元素扩散行为。

Coatings Preparation
研究选用含7 wt.% Cr、6.2 wt.% Al的镍基单晶合金为基底，通过AIP技术沉积30±2 μm厚涂层。工艺参数优化确保了涂层致密性，后续热处理促进了微观结构重构。

Microstructure and phase composition
热处理后所有涂层均呈现均匀致密的晶粒细化结构。值得注意的是，Zr掺杂涂层界面呈现独特的"锯齿状"形貌，这种几何锁合效应有效抑制了界面缺陷扩展。

Conclusions

1. 氧化动力学显示Dy掺杂涂层的氧化速率(4.10×10^-3)仅为Zr掺杂涂层的1/13，其形成的AlDyO₃钙钛矿结构作为"氧化钉"显著增强氧化物界面结合力。
2. Zr掺杂虽加剧氧化（速率达5.38×10^-2），但通过形成ZrO₂扩散屏障，使涂层/基体互扩散系数降低约40%。
3. 微观机制分析表明，Dy³⁺通过占据Al₂O₃晶界抑制Al外扩散，而Zr⁴⁺则优先偏聚于涂层/基体界面形成纳米晶阻挡层。

该研究首次阐明Zr/Dy在NiCrAlY涂层中的竞争作用机制：Dy适用于要求极致抗氧化场景，而Zr更适合抑制基体元素互扩散的应用。这一发现为航空发动机涂层设计提供了新的元素选择策略，特别是Dy相较于铂(Pt)等贵金属的成本优势，具有显著工程应用价值。研究团队提出的"氧化钉-扩散障"协同设计理念，为下一代多功能涂层的开发指明了方向。