纳米HfC改性提升Inconel 625抗氧化性能与氧化膜演化机制研究

为解决Inconel 625(IN625)在高温环境下抗氧化性能不足的问题，研究人员通过引入纳米碳化铪(nano-HfC)颗粒开展涂层改性研究。结果表明，IN625/HfC涂层在900–1100?°C氧化质量增益降低33–40%，抛物线速率常数(kp)下降56–65%，显著提升抗氧化性并改变氧化机制，为高温材料设计提供新策略。

　　

在高温工业领域，镍基合金Inconel 625(IN625)因其卓越的机械性能和耐腐蚀性而被广泛应用于航空发动机、燃气轮机和化工反应器等设备。然而，随着工况温度不断提升，IN625的抗氧化性能逐渐成为制约其长期稳定使用的瓶颈。在高温氧化环境中，材料表面易形成疏松多孔的氧化层，导致保护性Cr₂O₃膜破裂、脱落，进而引发加速氧化甚至结构失效。如何通过微结构调控提升IN625的高温抗氧化性能，成为材料科学研究中的一个重要挑战。

为此，来自五邑大学机械与自动化工程学院的罗江灵、李润华等研究团队在《Materials Advances》发表论文，探索通过添加纳米碳化铪（nano-HfC）提升IN625涂层的高温抗氧化性能及其机制演化。研究表明，引入nano-HfC可显著降低氧化增重，改变氧化膜生长机制，并有效抑制氧化层剥落，为高服役稳定性镍基合金的设计提供了新颖而有效的微结构工程思路。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：利用大气等离子喷涂技术（Atmospheric Plasma Spraying）制备IN625及IN625/HfC涂层；对涂层进行900°C、1000°C和1100°C下的等温氧化实验；采用X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）分析氧化层相组成与微观结构；通过电子探针微区分析（EPMA）和透射电镜（TEM）表征元素扩散行为与纳米氧化物分布。

研究结果部分，作者通过多项实验 systematically 地揭示了nano-HfC的增强机制：

“氧化动力学分析”表明，IN625/HfC涂层在所有温度下均表现出更低的氧化增重和更小的抛物线速率常数(k_p)，在1100°C时k_p降幅达65%，说明氧化反应速率显著减缓。

“微观结构表征”显示，nano-HfC添加细化了IN625涂层晶粒，促进铬元素的外扩散，从而加速连续、致密Cr₂O₃层的形成。

“氧化层结构与组成”中作者指出，HfC在高温下原位氧化生成HfO₂纳米颗粒，这些颗粒作为Cr₂O₃异质形核点，优化氧化膜生长模式，同时阻碍氧内扩散。

“氧化机制转变”是本研究的重要发现：未改性IN625主要以阳离子向外扩散为主导氧化机制，氧化膜产生张应力，易发生剥落；而IN625/HfC转变为氧向内扩散为主导，氧化膜产生压应力，显著提高膜基结合力与抗剥落性能。

论文在“结论与讨论”中强调，nano-HfC的引入不仅大幅提升IN625涂层的高温抗氧化性能，还通过改变扩散机制与应力状态实现氧化膜的长效稳定，这一“氧化机制转型”策略为今后设计抗高温氧化涂层提供了重要理论依据和工艺途径。该研究成功将材料微结构设计、氧化动力学与力学性能演化相结合，展现出良好的工程应用前景。