钽铌钛锆钨多元合金涂层的高温抗氧化行为研究及其在钨基表面改性中的应用

为解决钨(W)基材料在高温应用中抗氧化性能不足的问题，研究人员采用双辉等离子表面合金化(DGPSA)技术制备了TaNbTiZrW多元合金涂层。该涂层展现出典型的BCC固溶体结构，硬度达1364 HV(较基体提升3倍)，磨损率低至7.41×10?7，800℃氧化10小时后质量增量仅8.841 mg/cm2。研究发现TiO2和ZrO2的协同效应显著提升抗氧化性能，为核聚变装置第一壁(PFMs)和航天推进系统提供了新型表面改性方案。

　　

在极端高温环境下，材料性能面临严峻挑战。以核聚变装置第一壁(PFMs)和火箭发动机喷嘴为例，这些部件需要承受高达数千摄氏度的高温和高速粒子冲击。钨(W)因其自然界最高熔点(3422℃)成为首选材料，但其致命弱点——高温易氧化问题长期制约着实际应用。传统纯钨在800℃空气中会迅速氧化形成挥发性WO₃，导致材料失效。更棘手的是，氧化过程产生的应力还会引发涂层剥落，这种"灾难性氧化"现象在航空航天和能源领域造成巨大安全隐患。

针对这一世界性难题，山西某研究团队在《Surface and Coatings Technology》发表创新成果。研究人员另辟蹊径，将中高熵合金设计理念与难熔金属特性相结合，采用双辉等离子表面合金化(DGPSA)技术，在钨基体上成功制备出TaNbTiZrW五元合金涂层。这项研究突破传统单元素改性的局限，通过多元素协同效应实现性能飞跃。

关键技术包括：1) 优化DGPSA工艺参数制备梯度涂层；2) 采用Vickers硬度计(载荷0.5 N)评估力学性能；3) 通过摩擦磨损试验机测试耐磨性；4) 在800℃空气环境中进行10小时氧化实验；5) 结合SEM-EDS和XRD分析氧化层成分演变。

涂层表征
显微分析显示涂层呈现典型BCC(体心立方)固溶体结构，元素分布均匀无偏析。随着处理温度升高，涂层表面平整度提高，截面显示厚度达30-50μm的致密结构。XRD证实形成单一固溶相，晶格畸变能高达1.87×10⁸ J/m³，为性能提升奠定结构基础。

力学性能
涂层硬度呈现梯度分布，表面最高达1364 HV，是基体的3倍。磨损实验显示其磨损率最低为7.41×10^?7 mm³/Nm，比基体降低两个数量级。这种"外硬内韧"的特性归因于Ti/Zr引发的晶格畸变和Nb-Ta互溶带来的韧性改善。

高温氧化行为
800℃氧化动力学曲线显示，最优配方涂层质量增量仅8.841 mg/cm²，遵循立方氧化规律(速率指数n=3.59)。SEM观察到连续致密的氧化层，由TiO₂、ZrO₂及复合氧化物Ta₂O₅-Nb₂O₅组成。特别值得注意的是，TiO₂有效抑制有害氧化物生成，而Zr加速了保护性氧化层的初期形成。

机理讨论
研究揭示多元素协同作用机制：1) Ti/Zr氧化物降低热膨胀系数失配；2) Nb-Ta互溶缓解涂层脆性；3) 高熵效应促进稳定相形成。这种"三位一体"的防护体系使氧化激活能提升至218 kJ/mol，远超传统钨合金。

该研究开创性地将高熵合金设计理念应用于钨基表面工程，为解决极端环境材料氧化难题提供新思路。所开发的涂层体系在保持钨基体高熔点优势的同时，综合性能指标达到国际先进水平，对实现核聚变装置长时间稳态运行具有重要工程价值。Zechen Yang等学者的工作不仅为PFMs材料研发指明新方向，其揭示的多元素协同机制对其它高温合金设计也具有普适指导意义。