● 摘要
金属间化合物NiAl具有低密度、高熔点和良好的抗静态氧化性能等特性，是高温合金表面金属防护涂层候选材料之一，同时，也可以作为新型超高温热障涂层金属粘结层的候选材料。然而，由于β-NiAl存在表面氧化膜黏附性差、易剥落等问题，一直未获得应用。微量活性元素掺杂是改善β-NiAl氧化性能的有效途径，受到高度关注。燃气涡轮发动机工作环境中含有大量水气，开展水气环境下微量活性元素对β-NiAl合金/涂层高温氧化行为作用机理的研究，具有重要的科学研究意义和工程背景。
揭示了干燥/水气环境下不同微量活性元素对β-NiAl合金高温氧化性能的影响规律。研究了Hf、Zr、Dy、La等活性元素掺杂β-NiAl合金在1100℃下20%O2+Ar和15%H2O+Ar气氛中的循环氧化性能。微量活性元素Hf的加入不仅降低了β-NiAl合金表面氧化膜的生长速率，更明显提高了氧化膜与基体合金之间的结合力，其掺杂效果是几种活性元素之中最好的。微量Zr改性的β-NiAl合金的高温循环氧化性能与NiAl-0.05 Hf合金类似，而Dy和La掺杂的β-NiAl合金则都显示了较差的抗高温循环氧化性能。由于在β-NiAl合金中相对较高的固溶度，相比于Hf和Zr，Dy和La易于析出并反应生成富Dy和富La的氧化物。Hf和Zr离子偏聚在氧化物/合金界面处形成了许多细微的氧化物栓。而对于微量Dy和La掺杂β-NiAl合金而言，水气促进了异常且有害的内氧化的形成，从而导致了防护的缺失。
揭示了微量活性元素Hf和水气对β-NiAl合金高温氧化行为的作用机理。研究了未掺杂β-NiAl和微量Hf掺杂β-NiAl合金在1100℃下20%O2+Ar、17%O2 +15%H2O+Ar和15%H2O+Ar气氛中的短时氧化和长期氧化行为。微量Hf的加入明显提高了β-NiAl合金的抗高温循环氧化性能。水气促进了氧化膜/合金基体界面处孔洞的形成和移动，导致了氧化膜的剥落失效。此外，水气显著影响了氧化初期阶段亚稳θ-Al2O3转变为热力学稳定的α-Al2O3的过程。相比于干燥氧气环境下，更多的Hf在潮湿气氛中偏聚到氧化物/合金界面处形成了数量更多的细微的氧化物栓。此外，NiAl合金在干燥氧气中经过合适的预氧化处理之后，能够抑制水气的不利影响。
揭示了微量活性元素Hf和水气对电子束物理气相沉积β-NiAl涂层高温氧化行为的作用机理。采用电子束物理气相沉积技术制备了微量Hf改性的β-NiAl涂层，并研究了其分别在1100℃下20%O2+Ar和15%H2O+Ar气氛中的循环氧化性能。氧化动力学结果表明Hf的加入明显提高了β-NiAl涂层在干燥和潮湿气氛中的抗氧化性能。在氧化的初始阶段，水气的存在延缓了亚稳θ-Al2O3转变为热力学稳定的α-Al2O3的过程。此外，相比于干燥氧气环境下，水气降低了β-NiAl涂层表面氧化膜的粗糙度，且与长期氧化后氧化膜的表面微观形貌差异相一致。
建立了微量活性元素在高温水气环境下的作用机制模型。活性元素离子沿氧化膜晶界逐步向外扩散，最终以富活性元素氧化物的形态到达氧化膜的表面。水气对氧化初期的影响较为明显。尽管水气存在诸多有害的影响，但Hf的活性元素效应依然占据主导地位。