● 摘要
β-NiAl在1200℃以上高温静态氧化环境下能够形成致密的保护性氧化膜，是一种非常有前景的抗高温氧化的金属防护涂层材料，同时也是新一代超高温热障涂层金属粘结层的候选材料，但是由于氧化膜黏附性差、合金脆等问题没有解决，β-NiAl涂层一直未能获得应用。采用微量活性元素掺杂是提高β-NiAl涂层氧化膜黏附性的有效方法，然而由于活性元素在β-NiAl中固溶度极低，过量掺杂时将导致涂层氧化速率加快，而掺杂量过低时效果不明显。基于本课题组前期的研究基础，本论文开展了二元微量活性元素共掺杂对β-NiAl基涂层高温氧化作用机理的研究，并研究了B掺杂对涂层力学性能和氧化性能的影响。
设计了三种不同成分的Dy、B共掺杂改性的β-NiAl涂层，采用电子束物理气相沉积（EB-PVD）制备了β-NiAl涂层，研究了掺杂对涂层力学性能和1200℃循环氧化性能的影响。研究表明，微量B掺杂改善了涂层的塑性，1.00 at.% B掺杂涂层的弹性模量提高30%左右，而掺杂对β-NiAl的热膨胀行为的影响不大；与未掺杂β-NiAl涂层相比较，0.05at.% B和0.05at.% Dy共掺杂涂层的抗高温循环氧化性能明显提高，然而1.00 at.% B掺杂加速了氧化膜的生长，并加剧了氧化膜的褶皱，导致氧化膜发生严重剥落。
研究了Hf、Zr共掺杂对β-NiAl涂层高温循环氧化行为的作用机制。与0.1 at.% Hf、0.1 at.% Zr单一掺杂涂层相比较，0.05 at.% Hf和0.05 at.% Zr共掺杂涂层对涂层晶粒细化效果最明显。在1200℃高温循环氧化条件下，0.1 at.% Zr掺杂涂层经过100h氧化后增重约为1.15 mg/cm2，0.1at.% Hf掺杂涂层增重约为0.9 mg/cm2，而Hf、Zr共掺杂涂层氧化增重低于0.8 mg/cm2，显示了优异的抗高温氧化性能。这可归因为共掺杂时Hf离子与Zr离子以离子团的形式偏聚在氧化膜的晶界，对铝离子的外扩散阻挡作用更强，从而降低了氧化膜的生长速率。