新型抗1200℃高温氧化热障涂层粘结层材料取得关键突破
航空发动机被誉为现代工业的“皇冠明珠”，其核心部件——涡轮叶片，需在高温、高压、高转速等极端条件下保持长期稳定运行。这对其所用材料的耐高温与抗氧化能力提出了极高要求。近年来，随着航空发动机向更高推重比和热效率发展，涡轮前温度已突破1900℃，远超现有高温合金的耐温极限。为解决这一难题，热障涂层（TBCs）技术被广泛应用于叶片表面，以提供必要的热保护。
在热障涂层的多层结构中，位于陶瓷面层与金属基体之间的粘结层具有关键作用。它不仅需缓解因热膨胀系数差异产生的热应力，还要通过自身的氧化生成连续、致密的热生长氧化层（TGO），从而有效阻挡氧气内渗，保护基体材料免受高温腐蚀。
自上世纪70年代以来，NiCoCrAlY合金（通常称为MCrAlY）因其优异的相容性和中高温抗氧化性能，被广泛用作热障涂层粘结层材料。然而，该体系在温度超过1100℃后，氧化速率显著增加，导致TGO迅速增厚并易发生剥落，最终引发涂层失效。这一性能瓶颈长期制约着高性能航空发动机的发展。随着新一代发动机对涡轮前温度提出更高要求，亟需开发在1200℃甚至更高温度下仍具备优异稳定性的新型粘结层材料。
为应对上述挑战，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心与北京大学、沈阳工业大学等多个单位联合开展研究，成功开发出一种可在1200℃环境下稳定服役的新型粘结层材料。研究团队提出了一种创新的“微结构调控与熵工程协同”策略，从氧化过程的两个关键阶段出发，实现材料性能的显著提升。
首先，研究人员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。这种结构在氧化初期可显著增强铝元素的供应能力，从而降低形成α-Al₂O₃保护层所需的临界铝浓度，促进致密氧化层的快速生成。其次，通过优化Co、Cr与Ni的比例，提升体系的构型熵，在铝耗尽区（ADZ）引入强烈晶格畸变。这种高熵效应能够提高铝原子的扩散势垒，从而有效抑制其在稳态氧化阶段的迁移速度。
基于上述设计思路，研究团队成功研制出一种新型多主元合金NiCoCrAlYHf（Multi-Principal Element Alloy, MPEA）。实验结果显示，在1200℃、500小时的等温氧化测试中，该材料的氧化增重显著低于传统MCrAlY合金，其氧化速率常数仅为1.28×10⁻¹² g²·cm⁻⁴·s⁻¹，比传统材料降低约59%。更为重要的是，在循环氧化测试中，传统合金在70小时后即出现氧化膜剥落现象，500小时后剥落面积超过40%，而新型合金在整个测试周期内的剥落面积始终低于2%，展现出优异的膜层结合力和抗剥落性能。
该研究成果以“Outstanding 1200 ℃ Oxidation Resistance in a Novel Multi-Principal Element Alloy via Lattice Distortion-Induced Diffusion Suppression”为题发表于《Advanced Science》，2026年第0期（e22526）。该论文第一作者为博士生张新宇，通讯作者包括中国科学院金属研究所吕威闫高级工程师、王建强研究员，以及沈阳工业大学邱克强教授。
本研究得到了国家自然科学基金和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与MCrAlY合金的微观结构表征
- (a, b) SEM图像显示MPEA的层状微观结构，区别于MCrAlY的椭球状结构
- (c) MPEA的TEM图像及FFT分析
- (d) MCrAlY的TEM图像及FFT分析
- (e) STEM-EDS图谱显示MPEA的β相中存在富Cr纳米沉淀物
- (f) STEM-EDS图谱显示MCrAlY的β相中无富Cr纳米沉淀物
图3：MPEA与MCrAlY在1200℃的抗氧化性能比较
- (a) 等温氧化动力学曲线
- (b) 循环氧化过程中氧化膜剥落面积随时间变化
- (c) MPEA与现有Al₂O₃成形合金的氧化速率常数(kp)对比
图4：ADZ区域的晶格畸变与Al扩散速率分析
- (a, b) 弛豫后的MCrAlY和MPEA的ADZ超胞结构
- (c) 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方法获取的原子尺度应变分布图
- (h) Al在ADZ中扩散的能量势垒计算
- (i, j) 实验测定的Al浓度分布
- (k, l) 利用Boltzmann-Matano方法计算的Al扩散系数D(c*)