题目：微量活性元素改性β-NiAl合金及涂层的高温氧化行为研究

        热障涂层（Thermal barrier coatings，TBCs）与高温结构材料、高效冷却结构并重为高性能航空发动机涡轮叶片的三大关键科学技术。随着新一代高推重比航空发动机涡轮前进口温度的不断提升，要求热障涂层粘结层能够在1200℃以上长期稳定地工作。已经获得应用的粘结层材料MCrAlY（M：Ni，Co或Ni+Co）和NiPtAl在1150℃以上加速氧化，引起氧化膜增厚和开裂，最终导致热障涂层剥落失效。本文开展了微量活性元素（Reactive element，RE）改性β-NiAl合金及涂层高温氧化行为的研究，揭示了不同RE对β-NiAl合金及涂层高温氧化行为的影响机理，进一步提出了二元RE掺杂改善β-NiAl合金及涂层抗高温氧化性能的方法，建立了RE的综合作用机理模型，为新一代超高温、长寿命热障涂层粘结层的设计与研制提供了理论支持。

        研究了微量活性元素Dy、Hf、Zr、Y、La改性β-NiAl合金在1200℃的高温氧化行为，揭示了RE的作用机理。Dy、Hf、Zr、Y掺杂均降低了氧化膜的生长速率，降低程度依次为Hf>Zr>Dy>Y，La掺杂反而加速了合金氧化；RE离子偏聚于氧化膜晶界，阻碍了Al离子外扩散，使氧化膜的生长速率下降，该阻碍作用包括物理阻挡作用和化学交互作用；Dy、Hf、Zr、Y掺杂均提高了氧化膜的界面结合力，其中Hf和Zr提高幅度最大，Dy和Y次之，La掺杂反而加速了氧化膜剥落；RE抑制了氧化膜/合金界面孔洞的形核与生长，缓解了氧化膜的褶皱，使氧化膜的界面结合力提高，其中Dy对氧化膜褶皱的缓解作用最显著；RE掺杂均延缓了氧化膜的θ-α相变，延缓程度依次为Y>Dy>La>Hf>Zr，其作用机理为RE离子进入θ-Al2O3晶格，使晶格发生扭曲和畸变，阴离子空位发生湮灭，从而延缓了相变。

        采用电子束物理气相沉积方法成功制备了Dy、Hf改性β-NiAl涂层，研究了涂层在1200℃的高温氧化行为。Dy和Hf掺杂均降低了氧化膜的生长速率，提高了氧化膜的界面结合力，且Dy的作用效果弱于Hf；Dy和Hf在涂层中的作用机制与在合金中相似，但作用效果减弱；Dy和Hf离子偏聚于氧化膜/涂层界面，通过参与界面成键的方式强化了界面。

        研究了二元活性元素Dy+Hf、Hf+Zr、Hf+La、Y+La改性β-NiAl合金在1200℃的高温氧化行为，揭示了二元RE的协同作用机理。同族活性元素离子Hf和Zr及Y和La在合金熔炼制备过程中产生共偏聚现象；二元RE掺杂均降低了氧化膜的生长速率，其中Hf+Zr和Y+La掺杂与单一掺杂相比进一步降低了氧化膜的生长速率；Hf和Zr及Y和La离子在高温氧化过程中相互结合形成离子团，共同向氧化膜晶界处偏聚，该离子团对Al离子的阻碍作用强于两个单独的RE离子；二元RE掺杂均提高了氧化膜的界面结合力，但未产生明显的协同作用；二元RE掺杂均延缓了氧化膜的θ-α相变，其中Hf+Zr和Y+La掺杂与单一掺杂相比进一步延缓了相变，这是由于Hf和Zr及Y和La离子形成的离子团相比于两个单独的RE离子进一步使θ-Al2O3晶格发生扭曲和畸变。

        研究了Hf、Zr、Hf+Zr改性β-NiAl单晶合金在1200℃的高温氧化行为。合金晶界是活性元素重要的外扩散通道，晶界的消失使RE效应减弱，同时合金表层富含活性元素的质点的优先氧化为外界氧提供了内扩散通道，加速了合金的氧化。

        建立了RE对β-NiAl合金及涂层高温氧化行为的综合作用机理模型。RE掺杂提高β-NiAl合金及涂层抗高温氧化性能的本质原因是RE在高温和外界氧浓度梯度的作用下发生外扩散。在高温氧化过程中，RE离子沿合金（涂层）晶界向外扩散至氧化膜/合金（涂层）界面，随后沿氧化膜晶界扩散至氧化膜表面，期间在合金（涂层）内部、氧化膜/合金（涂层）界面、氧化膜晶界和氧化膜表面四个关键位置产生RE效应。