通过相关层析成像技术揭示了Cr2AlC涂层氧化过程中形态依赖性的分解现象及孔隙演变过程

《Applied Surface Science Advances》：Morphology dependent decomposition and pore evolution during oxidation of Cr2AlC coatings revealed by correlative tomography

　　

Devi Janani Ramesh | Sameer Aman Salman | Jochen M. Schneider

摘要

在氧化环境中对材料降解进行定量三维表征仍然存在局限性。本文采用基于相关层析技术的质量平衡框架，研究了Cr₂AlC（一种用于耐事故核燃料包壳和涡轮叶片的涂层候选材料），发现氧化过程中的分解和孔隙演变受到晶粒形态的显著影响。通过整合体积、结构和成分数据，可以量化这些变化。

分析了具有等轴晶粒和柱状晶粒结构的溅射Cr₂AlC涂层的氧化过程。虽然两种涂层形态下均形成了Cr₇C₃，但只有柱状涂层中出现了孔隙。通过质量平衡计算预测了Cr₇C₃的体积，假设铝的脱嵌促进了氧化层的形成以及Al-O-C-N沉淀物的生成，从而导致脱嵌铝的Cr₂AlC完全转化为Cr₇C₃。在等轴涂层中，预测的碳化物体积与层析结果相差在3±3%范围内，证实了铝脱嵌是Cr₇C₃形成的主要驱动力。尽管Cr₇C₃的摩尔体积小于Cr₂AlC，但由于没有孔隙，表明转化过程中的收缩可能通过涂层厚度的减小来补偿。在柱状涂层中，预测的Cr₇C₃体积比实际测量值高出22±4%；而仅由转化收缩引起的孔隙体积比实际测量值低13–16%，这表明存在部分铝脱嵌以及原有缺陷的聚集现象。这种综合方法为定量解析材料降解机制提供了通用途径。