题目：微量活性元素对α-Al2O3氧化膜/β-NiAl合金界面结合的影响机理研究

随着发动机向高推重比发展，迫切需要发展适用于高温合金的、1200℃以上温度抗高温氧化的金属防护涂层。NiAl在1200℃具有良好的静态抗氧化性能，但是其循环氧化寿命短。某些微量活性元素可显著提高NiAl涂层的循环氧化寿命，引起国际上高度关注。由于活性元素在NiAl中含量极低(通常为几十个ppm)，实验研究分析困难。本论文采用第一原理研究微量活性元素与NiAl合金元素的电子结构、微观缺陷以及合金中微量杂质元素等的交互作用，研究活性元素对氧化膜/合金基体界面结合的影响，为活性元素的优选以及1200℃以上金属涂层的设计提供理论依据。

采用第一原理方法结合肖脱基模型，计算了Hf、Zr、Y、Dy和La 5种具有代表性的微量活性元素在NiAl中的占位倾向和固溶度，结果表明以上元素在NiAl中均倾向于占据Al晶格位置，5种元素在NiAl中的固溶度大小顺序为：Hf >Zr>Y、Dy>La，计算结果与实验结果相符合。

由于NiAl中不可避免的存在微量杂质元素S，高温氧化过程中S在氧化膜/合金界面偏聚，将促进孔洞形成，弱化界面。采用第一原理方法计算了Pt以及Hf、Zr、Y、Dy、La与NiAl中S的相互作用，计算表明：Pt与S无明显相互作用，而活性元素均对S具有钉扎作用，作用的强弱顺序为La >Y、Dy >Hf、Zr。通过对Pt以及活性元素与S相互作用的电荷密度分布图进行分析，结果表明Pt与S之间没有电荷交换，Hf、Zr、Y、Dy与S之间形成了离子键，La与S之间形成了带有共价成分的离子键。

采用第一原理方法计算了Hf、Zr、Y、Dy、La对β-NiAl(110)/α-Al2O3(0001)界面结合强度的影响。结果表明，添加Hf、Zr、Y、Dy后均可以提高β-NiAl/α-Al2O3界面的结合强度，大小顺序为：Hf、Y > Zr > Dy，而添加La对界面结合无明显影响，这是因为Hf、Zr、Y、Dy 与Al2O3中的O原子以及NiAl中的Ni原子形成的化学键较强，因此提高了界面结合，而La与Al2O3中的O原子以及NiAl中的Ni原子作用较弱，对界面结合影响不大。

采用划痕法研究了微量Hf、Zr、Y、Dy、La掺杂的NiAl合金在1200℃经过5h和20h氧化后的氧化膜/合金基体的界面结合力，得到以上合金的氧化膜-基体界面粘附性大小顺序为：Hf、Zr>Y、Dy>NiAl、La，实验结果与理论计算的氧化膜/合金基体界面结合强度的结果基本一致。

基于以上研究，提出了活性元素优选的理论依据：①活性元素在NiAl中有较大的固溶度，②活性元素与S有一定的亲和作用，③活性元素对界面结合的提高较大。