近期，北京科技大学林均品教授、梁永锋教授研究团队联合太原理工大学王永胜副教授发表了题目为“A novel approach to coating for improving the comprehensive high-temperature service performance of TiAl alloys”的研究论文。论文第一作者为北京科技大学新金属材料国家重点实验室博士研究生穆雁洵，北京科技大学林均品教授、梁永锋教授和太原理工大学王永胜副教授为共同通讯作者。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120500

传统的TiAl合金表面高温抗氧化涂层通常用于促进致密氧化物的形成以保护表面，但它们主要是增强抗氧化性。然而，这种改进是以降低TiAl合金的高温蠕变和抗疲劳性能以及室温塑性为代价的。

该研究采用化学涂层方法在高Nb-TiAl合金上成功制备出约200 nm厚的Pt涂层，在高温环境中，Pt以纳米颗粒的形式分散在氧化物层内，增强了氧化物的可塑性。这种氧化物结构显著改善了TiAl合金的高温蠕变和疲劳性能，同时提高了氧化后的室温拉伸性能。结合分子动力学模拟，对Pt涂层抗裂纹扩展的机制进行了研究。这种方法为高温部件的表面涂层设计提供了一种新颖的思路。本研究中创造性的将高延展性的Pt和氧化物结合，形成了一种复合材料，增强了氧化物结构的稳定性，提高了TiAl合金在高温下的综合性能。

图1 水热法制备Pt涂层及表征

本文研究了在850 °C下有/无Pt涂层的TiAl合金试样的高温氧化性能、蠕变性能和疲劳性能。实验结果表明，无Pt涂覆的TiAl合金表现出4.40 mg/cm²的增重，而Pt涂覆的TiAl合金表现出明显更好的抗氧化性，增重仅为1.26 mg/cm²。在850 ℃时，130 MPa时的高温蠕变抗力提高了29.9%，180 MPa时提高了37.2%。在相同温度下，总应变幅分别为± 0.25%、± 0.28%和± 0.32%的疲劳试验中，循环次数分别增加了1.41、1.79和1.64倍。氧化2000 h后，涂层合金的强度保持在原始强度的92.4-93.1%，而未涂层合金的强度下降到原始强度的77.1- 78.6%。（图2）。

图2 有/无Pt涂层的TiAl合金的氧化和力学性能

为了探究Pt涂层和未涂层样品之间性能差异的原因，在氧化3000 h后对两种样品的截面形貌进行了表征。未涂覆Pt的样品的氧化层其厚度约为5.71±0.61 μm。顶层是TiO₂层，其次是Al₂O₃层以及TiO₂和Al₂O₃的混合物。Pt涂层样品的氧化层平均厚度为1.61±0.62 μm。薄氧化膜的存在表明抗氧化性增强。此外，在氧化层下方约1 μm处观察到一个富集Nb的区域。之前关于TiAl合金氧化的文献表明，这种富集与Al向上扩散有关，有助于改善薄膜与衬底之间的结合。（图3）。

图3 在850℃下氧化3000小时后，有无Pt涂层的TiAl合金的横截面

为了更加深入的了解Pt纳米颗粒对氧化层组织结构的影响，采用聚焦离子束(FIB)对表面进行采样，并获得透射电子显微镜(TEM)表征的横截面。结果表明，氧化物由分散的铂颗粒、TiO₂颗粒和Al₂O₃-TiO₂-Al₂O₃复合氧化层组成。大多数铂颗粒是纳米级的，分散在Al₂O₃层中，铂的存在促进了Al的向上扩散。铂和氧化物形成了一种由内部纳米颗粒增强的复合材料，这可以增强氧化物的抗裂纹扩展能力，减少高温使用时开裂的可能性，并提高氧化物在高温下的结构完整性。（图4）。

图4 Pt涂层TiAl合金在850℃氧化后的TEM图

利用分子动力学方法研究了Pt纳米颗粒对Al₂O₃断裂行为的影响，模拟结果表明，不含Pt纳米颗粒的Al₂O₃氧化层在受到氧化、蠕变或疲劳应力时，表面Al₂O₃易于开裂，这最终导致随后的失效。所产生的氧化物在室温下拉伸时也首先开裂，导致裂纹扩展到基体中，并导致基体的室温机械性能降低。而含有Pt纳米颗粒的Al₂O₃氧化层在裂纹扩展并到达Pt颗粒时，主裂纹尖端无法进一步扩展，而是围绕Pt颗粒偏转。裂纹保持在Pt颗粒周围而不形成贯穿裂纹，表明与普通Al₂O₃相比，含Pt纳米颗粒的氧化铝表现出更好的抗裂纹扩展性（图5）。

图5 分子动力学模拟示意图

在本研究中，在TiAl合金表面通过化学镀方法制备Pt涂层，在高温环境下，Pt分解扩散到氧化物中，促进了Al向上扩散，在TiAl合金表面形成富含Al₂O₃的薄氧化层。这层薄薄的Al₂O₃层起到了屏障的作用，有效地防止了合金的进一步氧化。同时薄氧化层与Pt纳米颗粒形成复合结构，Pt颗粒促进了裂纹的偏转和桥接，从而抑制了初生裂纹的扩展，提高了氧化物的韧性，最终提高了高温下TiAl合金的综合性能。

该研究得到了国家重点研发计划(2021YFB3700501)、国家基础研发计划(JCKY2022204B008)、创新研究群体项目基金(51921001)、国家科技重大专项(J2019-VI-0011-0125)的资助。

通讯作者介绍：

林均品：北京科技大学教授/博导，教育部长江学者、国家重大人才工程特聘教授、国家973计划首席科学家、国家科技重大专项首席、享受国务院政府特殊津贴等。中国材料研究学会理事，中国材料研究学会金属间化合物与非晶合金委员会副理事长，美国TMS高温委员会委员，Journal Kovove Materialy-Metallic Material, Journal of the Korean Society for Heat Treatment，《中国材料进展》和《钢铁钒钛》等杂志编委。

梁永锋：北京科技大学教授/博导，国家重点研发计划首席，主要从事脆性难加工金属间化合物（TiAl合金、高硅钢等）韧塑化改善机制、制备加工及性能改善、金属间化合物结构-功能一体化等研究，获教育部技术发明奖一等奖1项，中国有色金属工业科学技术奖二等奖1项。担任30余种国际期刊审稿人，任《China Foundry》、《精密成形工程》等期刊青年编委、中国机械工程学会铸造分会理事等职。

王永胜：太原理工大学副教授/硕导，学术工作主要为先进涂层制备技术及表面改性等。主持国家自然科学基金、中国博士后项目、重点实验室开放课题、山西省基础研究计划项目、山西省留学归国人员项目等；参与国家重点研发计划、山西省科技重大专项、山西省“1331工程”中心、山西省碳材料工程研究中心等项目。美国Purdue university CSC访问学者，第一/通讯作者发表SCI论文40余篇、第一发明人授权中国专利9项，美国专利1项等。《中国有色金属学报（中英文版）》、《航空材料学报》、《材料工程》、《表面工程与再制造》等杂志青年编委；获山西省“三晋英才”青年优秀人才，中国有色金属学报优秀青年编委等；担任Acta Mater.、Scripta Mater.、ACS Appl. Mater. & Interfaces、Appl. Surf. Sci.、Surf. & Coat. Tech.等期刊审稿人。