锆离子注入对NiCr合金热生长氧化铬层粘塑性行为的调控机制研究

为解决高温氧化过程中氧化铬(Cr2O3)层应力松弛机制不明的问题，法国普瓦捷Pprime研究所团队通过离子注入技术精确控制锆(Zr)含量(1015-1016 ions·cm-2)，结合同步辐射X射线衍射原位监测，发现Zr掺杂可改变Cr2O3晶界扩散机制，当Zr剂量超过5×1015 ions·cm-2时，应力松弛激活能从120 kJ·mol-1跃升至200 kJ·mol-1，为优化高温合金防护涂层设计提供理论依据。

　　

在高温环境下，金属合金表面形成的氧化层如同"铠甲"保护基体，但这层"铠甲"的力学行为却暗藏玄机。氧化铬(Cr₂O₃)作为铬基合金的典型保护层，其生长过程会产生巨大内应力，可能导致氧化层剥落失效。更棘手的是，传统添加稀土元素(RE)虽能改善氧化性能，但精确控制添加量犹如"走钢丝"——过量反而会产生负面效应。法国普瓦捷Pprime研究所(Pprime Institute, Poitiers)的科研团队独辟蹊径，选择非稀土元素锆(Zr)作为"调控开关"，通过离子注入这种"纳米级手术刀"技术，在Ni28Cr合金表面构建梯度掺杂层，首次揭示了Zr含量对氧化铬层粘塑性行为的影响规律，相关成果发表在《Journal of Alloys and Compounds》。

研究采用三大关键技术：离子注入精确控制Zr剂量(10¹⁵-10¹⁶ ions·cm^-2)；1000°C空气氧化构建Cr₂O₃层；欧洲同步辐射中心(ESRF)BM02线站进行原位X射线衍射，通过sin2ψ法测定应变。

【氧化铬微观结构构建】
同步辐射数据显示，Zr注入使Cr₂O₃(110)峰积分宽度稳定时间从10分钟(未掺杂)延长至215分钟(10¹⁶ Zr)，表明Zr显著抑制晶粒生长。氧化增重曲线呈抛物线型，且斜率随Zr剂量增加而降低，证实Zr减缓氧化速率。

【热冲击响应】
温度阶跃实验发现，10¹⁵ Zr样品在1000°C时应力松弛Δσ达190 MPa，而10¹⁶ Zr样品仅15 MPa。通过Norton粘塑性模型拟合，获得关键参数——蠕变系数J_ox在1000°C时从4.7×10^-15 Pa^-1·s^-1(未掺杂)降至1.9×10^-15 Pa^-1·s^-1(10¹⁵ Zr)。

【扩散机制转变】
阿伦尼乌斯曲线分析显示，当Zr剂量超过5×10¹⁵ ions·cm^-2时，激活能Q_gb从120 kJ·mol^-1跃升至200 kJ·mol^-1。与Tsai等报道的数据对比，低Zr剂量时氧扩散(^D_gbO)主导蠕变，而高剂量时铬扩散(^D_gbCr)成为限速步骤。

这项研究不仅证实Zr与稀土元素类似能改善氧化铬层性能，更重要的是发现了5×10¹⁵-10¹⁶ ions·cm^-2的临界剂量阈值。超过该阈值，Zr在晶界的饱和 segregation 会逆转扩散蠕变的主导机制，这种"开关效应"为设计新型高温合金防护涂层提供了精准调控思路。研究采用的离子注入-同步辐射联用方法，也为材料表面改性研究建立了可推广的技术范式。