【仪表网 研发快讯】航空发动机是工业皇冠上的明珠，其核心涡轮叶片必须在高温、高压、高转速的极端环境下长期稳定工作，这对材料的耐温与抗氧化能力构成了严峻挑战。随着现代航空发动机向更高推重比、更高热效率方向发展，涡轮前温度已突破1900℃，远超现有高温合金的承受极限。为此，在叶片表面涂覆热障涂层已成为必不可少的防护手段。在这一多层体系中，位于陶瓷面层与合金基体之间的“粘结层”尤为关键：它既要缓解因热膨胀系数不匹配引起的应力，也要通过自身氧化形成连续、致密的热生长氧化层(TGO)，从而阻隔氧气向内扩散，?；せ迕馐芨呶赂?。
 

　　自上世纪70年代起，NiCoCrAlY(常统称为MCrAlY)系列合金因其良好的相容性与出色的中高温抗氧化性能，成为热障涂层粘结层的首选材料。然而，该体系存在一个长期未能突破的瓶颈：当温度超过1100℃时，其氧化速率急剧上升，TGO快速增厚并容易发生剥落，最终导致涂层系统失效。数十年来，这一温度“天花板”始终制约着更高性能发动机的研制进程。面对下一代航空发动机对涡轮前温度提出的更高要求，亟待研制能够在1200℃乃至更高温度下稳定服役的新型粘结层材料。
 

　　为解决上述难题，近期，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心序构金属材料研究部联合高温合金研究部、北京大学王选计算机所、沈阳工业大学，在开发能够替代传统NiCoCrAlY合金在1200℃下具有优异抗氧化性能的下一代热障涂层粘结层材料方面取得了重要突破。
 

　　本研究创新性地提出一种“微结构调控与熵工程协同”的双重策略，从氧化过程两个关键阶段入手实现性能突破：(1)通过热力学计算确定共晶铝含量，设计出具有精细层状组织的合金，在氧化初期显著增强铝供应，降低形成单一α-Al2O3膜的临界铝浓度，从而促进连续、致密?；ば匝趸愕目焖傩纬桑?2)通过调整Co、Cr与Ni的比例，最大化体系构型熵，在热生长氧化层下方的铝耗尽区(Al-depletion zone, ADZ)内引入强烈的晶格畸变。这种高熵效应带来的晶格畸变能够提高空位形成能、增加铝原子迁移势垒，从而有效抑制铝在稳态氧化阶段的扩散速率。
 

　　基于上述策略，团队成功研制出新型NiCoCrAlYHf多主元合金(Multi-Principal Element Alloy, MPEA)。在 1200℃、500 小时的等温氧化实验中，新型合金的氧化增重显著低于传统合金，其氧化速率常数仅为 1.28×10?¹² g²·cm??·s?¹，比传统合金低约 59%。更为重要的是，在循环氧化测试中，传统合金在 70 小时后就出现氧化膜剥落，500 小时后剥落面积超过 40%，而新型合金在整个测试周期内剥落面积小于 2%，展现出卓越的膜层结合力与抗剥落性能。这一进展为发展下一代能在极端温度下稳定服役的热障涂层粘结层材料，奠定了关键的材料基础与设计范式。
 

　　相关研究成果以“Outstanding 1200 ℃ Oxidation Resistance in a Novel Multi-Principal Element Alloy via Lattice Distortion-Induced Diffusion Suppression”发表于Advanced Science, 2026 (0): e22526。博士生张新宇为第一作者，中国科学院金属研究所吕威闫高级工程师、王建强研究员和沈阳工业大学邱克强教授为共同通讯作者。
 

　　上述工作得到了国家自然科学基金项目、辽宁省中央引导地方科技发展专项等项目的资助。
 

　　图1：共晶多主元合金的设计：(a) Ni50-xCo25Cr25Alx体系的伪二元相图；(b) 共晶多主元合金Ni32Co25Cr25Al18的平衡相随温度的分数；(c) 商用MCrAlY合金体系 Ni63.8-xCo19.7Cr16.5Alx 的伪二元相图；(d) 商用MCrAlY合金 (Ni41.3Co19.7Cr16.5Al22.5) 的平衡相随温度的分数。
 

　　图2：MPEA和商用MCrAlY合金的微观结构表征：(a, b) SEM图像显示MPEA中的层状微观结构，不同于商用MCrAlY中典型的椭球状微观结构；(c) MPEA的TEM图像；c1, c2): c中标记为f1和f2的区域的FFT；(d) MCrAlY的TEM图像；h1, h2): d中标记为h1和h2的区域的FFT；(e) 图c的STEM-EDS图谱显示β相中存在富Cr纳米沉淀物；(f) 图d中插图区域的STEM-EDS图谱显示，在MCrAlY的β相中没有富Cr纳米沉淀物。
 

　　图3：在1200℃条件下对MPEA和MCrAlY的抗氧化性能分析：(a) MPEA和MCrAlY在1200℃下的等温氧化动力学曲线；(b) 1200℃循环氧化过程中氧化剥落面积分数随时间的变化情况，表明MPEA的氧化膜附着力优于MCrAlY；(c) MPEA与现有Al2O3成形合金的氧化速率常数(kp)对比。
 

　　图4：两种合金ADZ中的晶格畸变和Al扩散速率的第一性原理分析：(a, b) 弛豫后的MCrAlY (a)和MPEA (b)的ADZ超胞结构；(c) 箱形图显示了超胞结构中不同原子对的1NN键长分布；(d, e) 两种合金ADZ的HRTEM图像；(f, g) GPA方法获取的HRTEM图像的原子尺度应变分布图；(h) 通过 CI-NEB 方法计算的Al在ADZ中扩散的能量势垒；(i, j) 实验获得的两种合金合金从ADZ到Al2O3膜的Al浓度分布图；(k, l) 基于图i和图j中浓度曲线利用Boltzmann-Matano方法计算得出的两种合金ADZ中Al的扩散系数D(c*)。