寧波材料所基于相圖設(shè)計新型苛刻海洋環(huán)境服役涂層材料
MCrAlY（M=Fe,Co,Ni等）合金由于其優(yōu)異的抗氧化和抗腐蝕性能，作為熱障涂層的粘結(jié)層材料或單層涂層材料在航空發(fā)動機熱端部件中得到了廣泛應(yīng)用。該類合金優(yōu)異的抗氧化和抗腐蝕性能主要歸因于在寬溫域范圍內(nèi)，其表面都能夠形成一層穩(wěn)定、致密且連續(xù)的氧化物保護(hù)膜（以Al2O3和Cr2O3為主）。然而，在苛刻海洋環(huán)境中，除了潮濕空氣的氧化，發(fā)動機部件還會遭到高腐蝕性氯鹽的侵蝕。前期研究表明，Cr2O3在高溫下與NaCl和H2O發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致連續(xù)氧化物保護(hù)膜被破壞，從而嚴(yán)重縮減發(fā)動機壽命。因此，必須為發(fā)動機部件開發(fā)一種新型高溫腐蝕防護(hù)涂層，以滿足高鹽高濕熱苛刻海洋環(huán)境服役需求。
近期，中國科學(xué)院海洋新材料與應(yīng)用技術(shù)重點實驗室選取Si作為Cr的替代元素，開發(fā)了新型NiSiAlY材料體系的相圖熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫中共有6個二元系、4個三元系，36個二元化合物、40個三元化合物，其中，采用亞點陣模型準(zhǔn)確地描述了4個三元化合物的固溶度范圍，計算得到了實驗驗證。針對NiSiAlY材料成分的選取，不同于傳統(tǒng)“試錯法”（需要500個以上實驗），研究人員通過耦合相圖計算CALPHAD、第一性原理和關(guān)鍵實驗（3個實驗）的方法，闡述了一種從成分-結(jié)構(gòu)-性能相圖出發(fā)設(shè)計新材料的研究思路。面向苛刻海洋服役環(huán)境，提出了新型NiSiAlY材料體系需在500～1000℃的寬溫域范圍內(nèi)具有較好的力學(xué)性能、良好的耐腐蝕性能、優(yōu)異的抗氧化性能，基于相圖高效設(shè)計了NiSiAlY成分區(qū)間，即Si：約1～5 wt.%，Al：約11～20 wt.%，Y：約1 wt.%。綜上，研究工作在熱/動力學(xué)基礎(chǔ)理論上構(gòu)建了NiSiAlY成分-結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系并詳細(xì)闡述了基于相圖設(shè)計新材料的過程，為高效研發(fā)其他苛刻環(huán)境服役材料提供了一種可借鑒的思路。
相關(guān)工作以“Design of novel NiSiAlY alloys in marine salt-spray environment: (Part I. Al-Si-Y and Ni-Si-Y subsystems; Part II. Al-Ni-Si-Y thermodynamic dataset)” 為題在Journal of Materials Science & Technology上發(fā)表論文2篇【J. Mater. Sci. Technol. 88 (2021) 66-78；J. Mater. Sci. Technol. 89 (2021)186-198】。論文第一作者為中科院寧波材料所徐凱博士，通訊作者為中科院寧波材料所?？煽裳芯繂T、王立平研究員，合作作者包括中南大學(xué)教授杜勇等。該工作得到了國家自然科學(xué)基金（51971235）、浙江省自然科學(xué)基金（LQ20E010004）、國家科技重大專項（2017-VII-0012-0107）、寧波市3315創(chuàng)新團隊（2019A-18-C）等的支持。
基于相圖設(shè)計NiSiAlY材料的研究思路
（海洋實驗室 徐凱 ?？煽桑?/font>