南京理工大学《Corrosion Science》| 预氧化调控氧化层及内部相演化触发AIP Ti-Al-Cr-Nb-Y涂层优异的抗热腐蚀性能

TiAl合金因其低密度、高比强度（specific strength）和优良的高温蠕变性能，是航空航天和汽车领域极具吸引力的材料。然而，其在含有氯盐-硫酸盐熔融盐的侵蚀性环境（如航空发动机服役环境）中会发生快速退化，主要表现为热腐蚀和氧化层剥落，这严重限制了其实际应用。基于Ti-Al-Cr体系的防护涂层因与TiAl基体化学相容性好，且能在高温下形成具有保护性的Al₂O₃氧化层而被广泛研究。但在Na₂SO₄ + NaCl熔盐环境中，氯离子的存在会破坏氧化层的稳定性。为提高其耐腐蚀性能，多种策略被研究，其中预氧化（Pre-oxidation）作为一种前瞻性方法，可在涂层使用前预先形成致密的、热生长速率最低的α-Al₂O₃氧化层，作为后续腐蚀的屏障。然而，预氧化对电弧离子镀（Arc Ion Plating, AIP）制备的Ti-Al-Cr-Nb-Y涂层在Na₂SO₄ + NaCl熔盐中900°C下的热腐蚀行为影响尚未被系统研究。

来自南京理工大学等的研究人员旨在系统地研究预氧化处理如何调控AIP Ti-Al-Cr-Nb-Y涂层的表面氧化层结构和内部相演化，并阐明其对涂层在900°C、75 wt.% Na₂SO₄ + 25 wt.% NaCl熔盐中热腐蚀行为的影响机制，从而为该类涂层在严苛熔盐环境中设计出更优的防护性能提供策略。相关成果于2026年3月18日以“Pre-oxidation regulated oxide scale and internal phase evolution trigger superb hot corrosion resistance of AIP Ti-Al-Cr-Nb-Y coating”为题发表在《Corrosion Science》。

样品制备：

基体与涂层沉积：使用Ti-45Al-8Nb (at.%)合金作为基体。采用工业AIP系统，使用Ti-60Al-20Cr-1Nb-0.4Y (at.%)合金靶材，在氩气氛围中于TiAl合金上沉积Ti-Al-Cr-Nb-Y涂层。沉积参数包括：电压20-30 V，电流50-100 A，偏压0-100 V，气压0.5-2 Pa，加热温度140-180°C。涂层平均厚度为35±2 μm，成分为Ti-55Al-24.4Cr-0.8Nb-0.3Y (at.%)。

预氧化处理：将沉积态（As-Deposited, AD）样品在1000°C空气气氛中分别氧化2小时（PO2）和10小时（PO10），以获得预氧化样品。

热腐蚀测试：在样品表面喷涂Na₂SO₄ + NaCl混合水溶液，形成3±0.5 mg/cm²的盐膜。然后将样品置于900°C的电阻炉中，在熔盐中进行总计100小时的循环腐蚀实验。实验后通过水洗和超声清洗去除腐蚀产物，并测量质量变化。

图1. 实验过程示意图

图2. 沉积态、热处理和预氧化涂层表面的XRD图谱

图3. 沉积态涂层的(a)表面形貌，(b)截面微观结构，(c)截面TEM明场像及相应的EDS元素分布图

图4. 预氧化2小时和10小时涂层的表面形貌、截面微观结构和拉曼光谱

图5. 涂层在900°C Na₂SO₄+NaCl熔盐中热腐蚀20、60、100小时后的(a)宏观形貌和(b)质量变化曲线

图6. 沉积态和预氧化10小时涂层在热腐蚀后的(a)XRD图谱和(b)拉曼光谱

图7. 沉积态和预氧化10小时涂层在热腐蚀20和100小时后的表面形貌及EDS点分析结果

图8. 沉积态和预氧化10小时涂层在热腐蚀过程中Al₂O₃氧化层的(a)厚度演变，(b)断面形貌，以及(c-g)预氧化涂层的STEM分析和EDS线扫描结果

图9. 预氧化10小时和沉积态涂层在热腐蚀20和100小时后的截面微观结构

图10. 沉积态和预氧化10小时涂层在热腐蚀100小时后的无水制备截面EPMA元素分布图

图11. 沉积态和预氧化涂层在Na₂SO₄+NaCl熔盐中热腐蚀过程的机制示意图

研究表明，预氧化处理显著提高了AIP Ti-Al-Cr-Nb-Y涂层的热腐蚀性能。

沉积态（AD）涂层：耐腐蚀性差。在热腐蚀过程中形成多孔的（θ+α)-Al₂O₃混合氧化层，氧化层生长速度快。涂层内部形成了连续的、脆性的Laves相层，并伴随着粗大的富Y和富Nb氧化物颗粒的生成。这些因素加速了氯/硫化反应，导致涂层快速降解和质量损失，并发生氧化层剥落。

预氧化10小时（PO10）涂层：表现出优异的耐腐蚀性。在腐蚀测试前，预氧化处理已形成一层致密、连续的α-Al₂O₃保护性氧化层。在后续的100小时热腐蚀中，该涂层质量损失比沉积态涂层降低了约50%，氧化层生长速率显著减慢。扫描透射电子显微镜（Scanning Transmission Electron Microscopy, STEM）/EDS分析表明，Y在α-Al₂O₃晶界处偏聚，这种反应性元素效应（Reactive Element Effect, REE）抑制了氧的内向扩散，增强了氧化层的稳定性。同时，涂层内部保留了大量的L1₂相，避免了连续脆性Laves相的形成，相结构更稳定。

核心机制：预氧化通过预先构建稳定的α-Al₂O₃屏障并优化涂层内部相演化，有效抑制了熔盐中Cl⁻和S²⁻的渗透，延缓了涂层退化，从而在混合熔盐环境中为TiAl合金提供了显著增强的长效保护。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.corsci.2026.113789