科研进展
海洋实验室基于相图设计新型苛刻海洋环境服役涂层材料
日期：2021-05-10
MCrAlY（M=Fe,Co,Ni等）合金由于其优异的抗氧化和抗腐蚀性能，作为热障涂层的粘结层材料或单层涂层材料在航空发动机热端部件中得到了广泛应用。该类合金优异的抗氧化和抗腐蚀性能主要归因于在宽温域范围内，其表面都能够形成一层稳定、致密且连续的氧化物保护膜（以Al2O3和Cr2O3为主）。然而，在苛刻海洋环境中，除了潮湿空气的氧化，发动机部件还会遭到高腐蚀性氯盐的侵蚀。前期研究表明，Cr2O3在高温下与NaCl和H2O发生反应，导致连续氧化物保护膜被破坏，从而严重缩减发动机寿命。因此，必须为发动机部件开发一种新型高温腐蚀防护涂层，以满足高盐高湿热苛刻海洋环境服役需求。
近期，中国科学院海洋新材料与应用技术重点实验室选取Si作为Cr的替代元素，开发了新型NiSiAlY材料体系的相图热力学数据库。该数据库中共有6个二元系、4个三元系，36个二元化合物、40个三元化合物，其中，采用亚点阵模型准确地描述了4个三元化合物的固溶度范围，计算得到了实验验证。针对NiSiAlY材料成分的选取，不同于传统“试错法”（需要500个以上实验），研究人员通过耦合相图计算CALPHAD、第一性原理和关键实验（3个实验）的方法，阐述了一种从成分-结构-性能相图出发设计新材料的研究思路。面向苛刻海洋服役环境，提出了新型NiSiAlY材料体系需在500～1000℃的宽温域范围内具有较好的力学性能、良好的耐腐蚀性能、优异的抗氧化性能，基于相图高效设计了NiSiAlY成分区间，即Si：约1～5 wt.%，Al：约11～20 wt.%，Y：约1 wt.%。综上，研究工作在热/动力学基础理论上构建了NiSiAlY成分-结构-性能关系并详细阐述了基于相图设计新材料的过程，为高效研发其他苛刻环境服役材料提供了一种可借鉴的思路。
相关工作以“Design of novel NiSiAlY alloys in marine salt-spray environment: (Part I. Al-Si-Y and Ni-Si-Y subsystems; Part II. Al-Ni-Si-Y thermodynamic dataset)” 为题在Journal of Materials Science & Technology上发表论文2篇【J. Mater. Sci. Technol. 88 (2021) 66-78；J. Mater. Sci. Technol. 89 (2021)186-198】。论文第一作者为中科院宁波材料所徐凯博士，通讯作者为中科院宁波材料所常可可研究员、王立平研究员，合作作者包括中南大学教授杜勇等。该工作得到了国家自然科学基金（51971235）、浙江省自然科学基金（LQ20E010004）、国家科技重大专项（2017-VII-0012-0107）、宁波市3315创新团队（2019A-18-C）等的支持。
基于相图设计NiSiAlY材料的研究思路
（海洋实验室 徐凯 常可可）
