体心立方高温合金的高温抗氧化防护机制与挑战

本文针对体心立方(BCC)高温合金在极端高温环境下的氧化失效问题，系统探讨了A2/B2/L21多相体系的抗氧化设计策略。研究揭示了难熔元素合金的灾难性氧化行为，提出了通过Al2O3/Cr2O3保护层构建与复杂氧化物调控的创新路径，为开发兼具高温强度与抗氧化性能的新一代合金提供了理论依据，发表于《Scripta Materialia》。

　　

在航空发动机和发电设备等极端环境中，材料需要承受超过1500°C的高温考验。传统镍基高温合金虽具有优异的机械性能，但其抗氧化能力受限于NiO的弱保护性，且熔点限制了更高温度的应用。体心立方(BCC)高温合金因其高熔点和潜在抗蠕变性能成为新宠，但难熔元素（如W、Mo、Nb）的加入却带来了灾难性氧化、挥发和剥落等新挑战——例如WO₃在1000°C以上剧烈挥发，Ta₂O₅多孔快速生长，这些问题严重制约了这类材料的工程应用。

为解决这一瓶颈，Alexander Kauffmann团队在《Scripta Materialia》发表研究，系统评估了BCC高温合金中A2（基体）、B2（如NiAl）和L2₁（如AlCu₂Mn型）多相体系的抗氧化设计策略。通过热力学-动力学-机械性能多维度分析，揭示了三种潜在保护性氧化物（Al₂O₃、Cr₂O₃、SiO₂）的形成条件与局限性，特别指出(Cr,Ta,Ti)O₂固溶体氧化物的特殊保护机制。

研究采用氧化动力学测试（跟踪Δm/A-t曲线）、高分辨显微表征和高通量实验相结合的方法，重点分析了Cr基B2强化合金、TiFe基B2合金及难熔高熵合金(RHEA)等体系的氧化行为。

保护性氧化层形成机制
通过抛物线速率常数k_m,n=2量化比较，发现Al₂O₃在1000°C时生长速率（10^?17–10^?16 m²/s）比Cr₂O₃（10^?16–10^?13 m²/s）低1-3个数量级，但Cr的加入可通过形成过渡层抑制Al的内氧化。在Cr-Mo-Si体系中，SiO₂辅助形成Cr₂O₃的同时，Mo的亚表层富集有效阻止了氮化。

难熔元素合金的特殊挑战
W基合金因WO₃挥发在1000°C以上完全失效，而Ta基合金则受多孔Ta₂O₅困扰。研究发现含Ta的(Cr,Ta,Ti)O₂固溶体（金红石型）因Ta₂O₅单晶特性，比含Nb的同类氧化物更具保护性。

多相微结构的影响
在NiAl/Cr共晶体系中，B2相（NiAl）的体积分数和元素分配决定氧化行为。不同于Ni-Al-Cr固溶体，两相结构未能改善抗氧化性，这与θ-Al₂O₃（针状非致密相）在低温下的优先形成密切相关。

研究结论指出，当前缺乏预测复杂合金抗氧化行为的系统性方法，未来需结合机器学习和高通量实验建立设计准则。尽管涂层技术仍是最终解决方案，但开发具有"应急抗氧化"能力的基体材料对工程安全至关重要。该工作为BCC高温合金的成分-微结构-性能协同设计提供了关键理论基础，尤其对航空发动机热端部件的材料开发具有指导意义。