● 摘要
1200 °C抗高温氧化的热障涂层金属粘结层的研制是目前国际上的研究热点和难点。β-NiAl是一种非常有潜力的抗高温氧化涂层材料，然而，由于在循环氧化条件下，NiAl表面氧化膜发生早期剥落，限制了其使用。近来，研究发现，微量活性元素掺杂可以显著改善NiAl涂层的循环氧化性能，从而引起了广泛关注。但是活性元素的微观作用机理尚无统一的认识，现有一些理论模型的提出仅限于少数几种元素的研究结果。本文研究了Sm、Gd、Yb、Sc、Nd五种活性元素以及电子结构与已报道的活性元素Hf、Zr相似的Ta和Nb两种非活性元素对NiAl合金高温氧化性能的影响，对于深入了解微量活性元素对NiAl高温氧化行为的作用机理，具有重要的科学研究意义。论文主要结论如下：
采用电弧熔炼方法制备了Sm、Gd、Yb、Sc、Nd、Ta和Nb七种微量元素掺杂的NiAl合金，揭示了掺杂元素在NiAl合金中的分布状态、存在形式以及其对合金晶粒尺寸的影响规律。掺杂元素在NiAl合金中主要以析出相的形式出现于晶界以及晶粒内部，能够细化NiAl合金的晶粒，但细化程度不同。在相同掺杂量的前提下，Nb元素细化晶粒的效果最佳，Sc元素基本没有细化晶粒的作用。
揭示了以上七种元素对NiAl合金高温氧化行为的作用机理。活性元素Sm、Gd、Yb、Sc和Nd掺杂后，NiAl合金氧化膜的抗剥落性能都有了明显的提高，其中，Yb和Sc掺杂合金表面氧化膜的抗剥落能力最强，这是因为Yb和Sc能够显著抑制界面孔洞的形成以及氧化膜皱曲的产生。Ta和Nb不能有效消除界面孔洞或氧化膜皱曲，掺杂后合金的抗循环氧化能力也没有改善。
明确了以上七种元素对NiAl合金表面氧化膜形貌的影响机制。Sm、Gd、Yb、Sc和Nd扩散进入氧化膜晶界，抑制了Al离子沿晶界的外扩散，从而不同程度地降低了NiAl合金的氧化速率、消除了氧化膜脊状形貌，同时促进了氧化膜中柱状晶的形成。Ta和Nb虽然也具有降低NiAl合金氧化速率、消除短时氧化脊状形貌的作用，但由于其活性低、溶解度高，基本不会向氧化膜晶界扩散，因而无法完全抑制Al离子沿晶界的外扩散，从而长时氧化后氧化膜中没有柱状晶形成。