NiAl-Cr(Mo)-Ti合金的高温氧化行为的研究(7)
NiAl基合金表面施加NiAl微晶涂层与传统的铝化物涂层、MCrAlY涂层与ZrO2热障涂层不同，微晶涂层采用与基体成分完全相同的合金作为涂层材料，对基体合金进行防护。这种合金不仅具有很好的抗恒温氧化和循环氧化性能，而且与基体有良好的相容性。由于涂层成分与基体合金完全相同，二者之间几乎不存在互扩散，因而不会像其它类型涂层那样，在长期使用过程中与基体互扩散形成孔洞或有害相。对高温合金微晶涂层大量的高温氧化实验表明，由于微晶化一方面能够提供大量的晶界从而有利于氧化物的形核；另一方面由于元素在高温环境下的扩散由体扩散为主变为晶界扩散为主，大大提高合金元素的扩散系数，因此，通过表面微晶化或纳米化能够显著降低形成稳定A12O3的Al含量。由于合金中的Al含量的相对增加将增大合金的脆性，即对合金的力学性能将产生一定程度的不利影响，因此，如果降低Al含量而又不影响合金的高温氧化性能，将有重要的实际应用价值[5,6]。
与NiAl微晶涂层效果相似，表面微晶化或纳米化同样能够显著提高合金表面氧化膜的粘附性，这与此类材料的本身结构与性能有关。由于微晶化或纳米化后材料中的晶粒尺度呈数量级减小，晶界数量呈数量级增大，不管是所形成的氧化膜还是材料本身其塑性变形能力均要超出普通材料，因此，在氧化过程中所产生的各种应力很容易被释放。另外，由于溅射涂层本身属柱状晶结构，在氧化过程中容易沿柱状晶界形成大量的微钉，增大了氧化膜与涂层的接触面积，提高了氧化膜的结合强度。
添加稀土合金化元素可以明显提高NiAl基合金抗氧化性的原因在于：
（1）少量的稀土元素可以改变金属离子在A12O3、Cr203氧化膜中的元素传质机制，由原来的金属Al离子通过氧化膜向外传输，新的氧化膜在气体／氧化膜形成占优变成氧离子向内扩散占优，新的氧化膜在氧化膜／合金基体界面形成，提高了表面氧化膜的抗剥落能力；稀土元素的添加降低了贫铝相形成A12O3的Al临界浓度，同时暴露在氧化气氛中的贫铝相由于易氧化元素的氧化消耗，使得Al的浓度达到形成A12O3的临界浓度，使合金表面形成单一完整的A12O3保护膜。
（2）氧化过程中由于添加了少量的稀土活性元素，改变了不稳定δ-或θ-A12O3相向稳定α- A12O3相的相变过程，从而在一定程度上减轻了由于相变所引起的内应力，提高了氧化膜的粘附能力，进而提高了合金的抗高温氧化性能。少量稀土元素氧化物添加到二元NiAl或NiAl基合金中，在高温氧化过程中对合金的氧化活性作用与稀土元素金属的作用类似[18]。
（3）在长时间的氧化过程中，离子通过氧化膜的扩散和膜内以及合金在氧化过程中冷热所产生的内应力，使氧化膜疏散，甚至开裂。但基体合金通过加入稀土元素，在A12O3膜与基体之间形成过渡层，通过过渡层的塑性变形能够有效地释放所产生的内应力。
（4）由于加入稀土元素使合金表面上形成的A12O3膜晶粒变细，提高了表面氧化膜的力学性能；相(晶)界氧化所生成的氧化物对氧化膜具有钉扎作用，提高了氧化膜的抗剥落能力。
（5）特别需要说明的是，稀土元素不仅通过氧化膜来影响合金的氧化行为，还通过合金本身起作用。合金加入稀土元素后，晶粒得到细化，基体得到净化，合金的氧化行为受到影响。同时稀土元素偏聚于晶界或相界影响了高温下合金中各元素的扩散或化学活度，从而影响了合金的氧化行为。
与Zr等活性元素对NiAl基合金高温氧化性能的影响相比，稀土元素一方面能直接提高高温氧化后合金表面氧化膜的力学性能，从而提高合金的高温抗氧化性能；另一方面，稀土元素的化学性比Zr等活性元素更活泼，在合金的熔炼过程中捕捉合金的杂质元素如S、O等形成非自发晶核，在凝固过程中被包围，从而能消除杂质元素对合金在高温氧化过程中的影响[5]。以上分析说明稀土元素对NiAl基合金高温氧化性能的影响与其它活性元素具有很大的差异，明显地提高了NiAl基合金的抗高温氧化性能。