https://doi.org/10.1016/j.jmst.2026.02.008
一、研究背景
TiAl 基金属间化合物因低密度、高比强度成为航空航天和发电领域高温结构件的理想候选材料，但800℃以上抗氧化性差的问题限制了其应用。TiAlCr 基防护涂层虽能形成 α-Al₂O₃保护膜，却存在长期高温下互扩散、缺陷累积、微结构不稳定等问题，且现有涂层缺乏氧化诱导的自修复机制。此外，传统涂层制备工艺各有缺陷，磁控溅射易形成氧快速扩散通道、阴极电弧蒸发引入大颗粒、热喷涂存在高孔隙率等问题，且均为结构静态涂层，无法自主缓解氧化损伤。
为此，本研究旨在制备 TiAlCrNbY 自适应涂层，通过调控成分与微结构，同时实现互扩散抑制与微结构自修复，提升其在 1000℃下的长期热稳定性。
二、实验方法
涂层制备：以 Ti-45Al-8Nb（at.%）为基体，经喷砂、乙醇超声清洗后，采用 AIP 工艺沉积 TiAlCrNbY 涂层，靶材成分为 Ti-55Al-20Cr-1Nb-0.4Y（at.%），沉积前经 Ar⁺离子轰击活化、预溅射除氧化物，沉积后在 1000℃氩气氛围中热处理 4h，释放残余应力并促进涂层致密化。
等温氧化测试：在 1000℃静态空气中对热处理后的涂层进行 1、5、20、50、100、200、300h 等温氧化试验，通过称重记录氧化动力学，并选取 5、50、300h 三个时间点表征涂层微结构演变。
表征手段：采用 X 射线衍射（XRD）、拉曼光谱分析物相演变；场发射扫描电镜（FE-SEM）结合能谱（EDS）观察表面/ 截面形貌与元素分布；透射电镜（TEM）开展高分辨率结构分析；划痕测试仪评估涂层结合力；ImageJ 软件定量分析孔隙率和相体积分数。
三、结果
1.热处理诱导的结构与力学演变
沉积态涂层为非晶结构，含 AIP 工艺固有大颗粒，成分异质；经 1000℃热处理后发生晶化，生成 τ-Ti₀.₂₅Al₀.₆₇Cr₀.₀₈相、C14 型 AlCr₂相和 Ti (Al,Cr)₂相，同时出现少量不连续 Al₂O₃纳米颗粒，孔隙率从7vol.% 降至 6vol.%，微结构更均匀致密。力学性能上，涂层硬度从 6.50GPa 降至 5.33GPa（残余应力释放），临界脱粘载荷从 48.1N 提升至 57.0N，结合力与耐磨性显著改善，摩擦系数从 0.95 降至 0.44。
2.氧化诱导的物相演变与抗氧化动力学
1000℃氧化过程中，涂层物相发生有序转变：5h 时形成 α-Al₂O₃与 θ-Al₂O₃混合氧化膜，基体保留 AlCr₂、γ-TiAl 相；50h 时亚稳 θ-Al₂O₃完全转化为稳定 α-Al₂O₃，AlCr₂溶解并生成 Ti (Al,Cr)₂拉夫斯相，出现 Y 基氧化物；300h 时物相趋于稳定，α-Al₂O₃为主要表面氧化相。氧化动力学呈准抛物线特征，初始阶段质量增益较快，后续速率显著降低，300h 后总质量增益极低，抛物线速率常数 kp=5.17×10⁻⁷mg²/(cm⁴・s)，较传统TiAlCr 涂层低一个数量级，抗氧化性大幅提升。
3.微结构自修复的时空演变
5h 氧化后，涂层呈多层结构，存在微空隙，内部 Al₂O₃开始在空隙形核，为自修复奠定基础；50h 时，α-Al₂O₃氧化膜增厚至 3.5μm，内部 Al₂O₃颗粒（~0.6μm）填充空隙，孔隙率降低，互扩散区（IDZ）厚度达～47μm；300h 时，氧化膜增厚至 7.5μm 且无裂纹、结合紧密，内部空隙与 Al₂O₃夹杂物完全消失，实现微结构完全自修复，IDZ 仅轻微增厚至～50μm，互扩散得到有效抑制。
4.自修复的纳米尺度机制
TEM 分析表明，Y 元素在氧化过程中动态偏聚，与 Al₂O₃发生反应：5h 时 Y-rich 颗粒在晶界形核并捕获氧；50h 时 Y 在 Al₂O₃晶界富集，Ti (Al,Cr)₂完全取代 AlCr₂；300h 时形成石榴石型 Y₃Al₅O₁₂纳米颗粒（300-400nm），该相通过氧捕获（降低基体氧含量，缓解内氧化）和体积膨胀（物理填充微空隙，促进涂层致密化）实现自修复，同时还能钉扎晶界，抑制晶粒粗化。
四、涂层性能强化机制
1.自修复机制：氧化诱导的内氧化与物相演变驱动双重自修复，一是 Al₂O₃在微空隙形核填充缺陷，后续溶解并与偏聚 Y 反应生成 Y₃Al₅O₁₂，进一步实现空隙闭合；二是陶瓷相烧结致密化，消除沉积与氧化初期的微缺陷，最终形成无空隙的致密结构。
2.互扩散抑制机制：热处理与氧化过程中，亚稳 AlCr₂向稳定 Ti (Al,Cr)₂拉夫斯相转变，该相与γ-TiAl 形成致密基体，具有低氧渗透性（<0.5at.%）和与 TiAl 基体低热膨胀系数失配（ΔCTE<1.5×10⁻⁶/K）的特点，既限制氧向内扩散，又缓解界面应力累积；同时，Cr-rich 带演变为连续的 Ti (Al,Cr)₂骨架，阻碍涂层 - 基体间长程元素扩散，使 IDZ 在 50-300h 仅从47μm 增至 50μm，远优于传统 TiAlCr 涂层。
3.抗氧化协同机制：稳定的 α-Al₂O₃表面氧化膜为主要氧阻挡层，内部 Y₃Al₅O₁₂的氧捕获作用进一步降低内氧化程度，Ti (Al,Cr)₂拉夫斯相基体则强化了涂层的结构稳定性，三者协同实现 1000℃下 300h 的长效抗氧化。
五、结论
1.采用 AIP 沉积结合 1000℃热处理工艺，成功制备出非晶转晶化的 TiAlCrNbY 涂层，热处理后涂层晶化形成 AlCr₂/τ 相复合结构，力学性能与结合力显著提升。
2.该涂层在1000℃静态空气中表现出优异的长期抗氧化性，300h 氧化后仍保持结构完整，氧化动力学呈准抛物线特征，氧化速率远低于传统 TiAlCr 基涂层。
3.涂层具有氧化诱导的本征自修复能力，核心为 Y₃Al₅O₁₂纳米颗粒的形成与作用，通过氧捕获和体积膨胀实现微空隙消除与涂层致密化，同时 Ti (Al,Cr)₂拉夫斯相的形成有效抑制了涂层 - 基体的互扩散，IDZ 增长可忽略。
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