硼改性硅化物涂层在Nb-Si基高温合金中的高温氧化行为：微观结构演变、失效机制与寿命预测

为解决Nb-Si基高温合金在1200-1300°C极端环境下的抗氧化性能不足问题，研究人员通过包埋渗法制备了B改性硅化物涂层，系统研究了其氧化失效行为。结合Boltzmann-Matano理论和Wagner氧化理论，建立了寿命预测模型，揭示了Si耗尽(临界值22.1 wt.%)导致(Ti, Nb)5Si4相生成和孔洞形成的失效机制，为航空航天发动机热端部件防护涂层设计提供理论支撑。

　　

随着航空航天技术的发展，燃气涡轮发动机对材料耐温性能的要求日益严苛。Nb-Si基合金因其低密度(6.6-7.2 g/cm³)、高熔点(>1700°C)和优异的高温强度，成为极具潜力的超高温结构材料。然而，其抗氧化性能差的问题严重制约了实际应用。虽然硅化物涂层能通过形成自修复SiO₂氧化膜提供保护，但单一硅化物存在脆性大、抗氧化能力有限等缺陷。硼(B)元素的引入可改善氧化膜流动性，但关于B改性涂层的失效机制和寿命预测仍缺乏系统研究。

为攻克这一难题，Wei Shao团队在《Journal of Materials Research and Technology》发表了创新性成果。研究采用包埋渗法在Nb-24Ti-16Si-2Cr-2Al-2Hf(at.%)合金表面制备B改性硅化物涂层，通过TiB₂作为硼源，在1300°C下保温10小时获得145.30μm厚涂层。借助X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和电子探针微区分析(EPMA)等技术，系统表征了涂层在1200-1300°C氧化过程中的微观结构演变。

研究结果揭示：通过Wagner内氧化模型计算得出涂层失效的临界Si含量为22.1 wt.%。氧化动力学分析显示，涂层质量增加遵循抛物线规律，1200°C、1250°C和1300°C下的氧化速率常数分别为0.0437、0.2046和0.2867 mg²/(cm⁴·h)，氧化反应激活能为374±4 kJ/mol。微观结构演变表明，表面氧化和涂层/基体互扩散导致Si耗尽，促使(Ti, Nb)₅Si₄相形成并伴随大量孔洞产生。

Boltzmann-Matano方法计算显示，Si在(Ti, Nb)₅Si₄相中的扩散激活能为104±2 kJ/mol，扩散系数随温度升高从1.67×10^-16 m²/s(1200°C)增至2.86×10^-16 m²/s(1300°C)。建立的寿命预测模型t_T=1.25×10¹¹exp(374315/RT)+2.17×10^-3exp(103644/RT)与实验结果高度吻合，1250°C下预测寿命516h与实测525h误差仅1.7%。

这项研究的重要意义在于：首次阐明了B改性硅化物涂层的双重失效机制——外部氧化导致Si消耗和内部互扩散形成(Ti, Nb)₅Si₄降解相。建立的寿命预测模型为航空航天发动机热端部件的涂层设计提供了量化依据，开发的包埋渗制备工艺对推动Nb-Si基合金的实际应用具有重要价值。特别是发现B₂O₃与SiO₂形成的硼硅酸盐氧化膜能有效延缓氧化进程，这一发现为开发新型复合防护涂层指明了方向。