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上海交大王俊教授团队在读博士生在《Acta Materialia》发表关于稀土高温合金的研究成果

近日,国际材料著名刊物《Acta Materialia》,在线刊登了上海交通大学材料科学与工程学院凝固科学与技术所在稀土改型镍基高温合金领域的最新研究成果“Unveiling the mechanism of yttrium-related microstructure inhibiting or promoting high-temperature oxidation based on Ni-Al-Y alloys”(https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.116879)。论文第一作者为博士生吴贇,康茂东助理研究员、王俊教授为共同通讯作者。这也是该团队继《Scripta Materialia》之后,再次在金属材料领域顶级刊物上发表高温合金相关研究成果。此外,相关研究成果已获得美国专利授权(16/630848)Ni-Al-Re TERNARY EUTECTIC ALLOY AND PREPARATION PROCESS THEREFOR。

镍基高温合金(Superalloy)凭借优异的高温力学性能和组织稳定性,在航空、航天、火电、核电等领域均有重要应用,尤其适用于制造承力热端部件,使用温度可高达1000 ℃。然而,长期高温服役使镍基合金部件表面发生氧化,进而引发析出相贫化、组织退化、氧化蚀坑等诸多问题,这成为制约镍基合金挑战更高服役温度的关键因素之一。近年来,采用稀土微合金化来提升镍基合金高温氧化抗性的方法受到广泛关注和研究。本工作致力于揭示稀土Y元素对镍基合金高温氧化行为的影响,重点讨论含Y微观组织的高温氧化行为,包括氧化产物的演变规律和热力学计算预测、氧化层结构和内氧化层前沿深度。

本研究基于4种不同Al、Y含量的Ni-Al-Y三元合金,分别在800℃和1000℃的恒温氧化行为,成功揭示了内氧化层中复杂氧化物(含Y和不含Y)形成机理。内氧化层中的复杂混合氧化物对氧离子向合金内部的扩散起到了抑制或促进的作用,这受制于氧化物的存在形式:界面处和氧化前沿的连续氧化膜阻碍了氧离子的进一步扩散;Ni5Y晶粒内部析出的二次γ-Ni条带为氧离子的进一步推进提供了有利的扩散通道(图1-4)。低Y含量合金在1000℃氧化后,内部相界面和晶界生成大量Al2O3氧化物,同时YAP占据相界面,特别是氧化前沿形成连续的Al2O3膜,阻碍了氧离子向内部扩散。根据经典的Wagner判据(形成外层Al2O3的最小Al含量)和实验结果,该合金所需Al浓度极小。当温度升高,Al的扩散系数增加,形成Al2O3的能力显著增加,内氧化抗性因此增加。该研究为稀土微合金化镍基高温合金的设计提供了新的思路,有助于进一步提升高温氧化抗性。

本研究工作得到了国家自然科学基金(No. 51971142、52031012)、国家科技重大专项(No. 2017-Ⅵ-0013-0085)和航空科学基金(No. 2018ZE57012)等项目的资助。文章同时得到了牛津仪器公司和上海交通大学分析测中心的大力支持。

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图1 氧化层厚度随氧化时间的变化规律:(a) 800℃和(b) 1000℃

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图2 22Al10Y合金800℃/1h氧化后的氧化层特征:

(a) 氧化层整体形貌和元素分布,(b) 外氧化层NiO和(c) Ni5Y相中的混合氧化物

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图3 10Al10Y合金800℃/200h氧化后的内氧化层特征:

(a) 内氧化层局部形貌和元素分布和(b) 共晶区混合氧化物

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图4 10Al0.5Y合金1000℃/200h氧化后的内氧化层特征:

(a) 内氧化层局部形貌和元素分布和(b)相界面区域混合氧化物

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图5 (a) Al在γ-Ni中的扩散系数和(b) 基于Wagner判据的Al临界浓度和g*的关系

吴贇
材料科学与工程学院
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