上海交通大学陆杰/赵晓峰团队：破解氢燃料燃气涡轮发动机MCrAlY涂层高温水蒸气氧化失效争议难题

2026-06-23 14:41:01 作者：陆杰来源：材料科学和技术分享至：

通讯作者：陆杰

通讯单位：上海交通大学材料科学与工程学院

DOI: 10.1016/j.jmst.2025.07.035

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本文通过精密水蒸气氧化实验、微观结构表征与密度泛函理论计算相结合的方法，系统阐明MCrAlY（M= Ni, Co或NiCo）涂层在高温水蒸气中的氧化失效机理。研究明确氧化膜生长及其界面结构的动态演化规律，提出质子-金属阳离子协同掺杂理论，从原子尺度揭示水蒸气加速氧化并导致界面结合性能退化的作用机制，为氢燃料燃气涡轮发动机抗水蒸气氧化高温防护涂层设计提供关键理论依据。

研究背景

氢燃料燃气涡轮发动机能够显著提升热效率、降低碳排放，是重型燃气轮机/航空发动机的重要发展方向，对保障国防与能源安全具有战略意义。热障涂层是提升热端部件（如叶片、燃烧室等）服役温度与发动机工作效率的关键技术。其中，MCrAlY涂层作为热障涂层金属粘结层，不仅保护热端部件不受氧化，还能保证涂层的界面结合，直接决定着涂层的整体服役寿命与可靠性。然而，氢燃烧产生的高浓度水蒸气会剧烈加速MCrAlY涂层的氧化过程，并导致其界面结合性能急剧退化，对MCrAlY涂层抗氧化性能及其热障涂层服役寿命构成严峻挑战。目前，高温水蒸气环境下MCrAlY涂层的氧化失效机理尚不明确，严重制约了新一代抗水蒸气氧化高温防护涂层的理性设计。

本文亮点

（1）水蒸气解离产生的质子（H⁺）以间隙形式进入Al₂O₃晶格，通过提升晶格缺陷浓度并降低Al、O空位形成能，显著加速铝离子（Al³⁺）晶格扩散，致使氧化膜外向生长速率升高；

（2）快速外生长过程驱动氧化物/金属界面向粘结层内部迁移，导致粘结层金属颗粒被机械裹挟进入氧化膜。溶解的基体金属阳离子（Ni²⁺, Co²⁺, Cr³⁺）掺杂至Al₂O₃晶格中取代Al³⁺位点，进一步降低Al、O空位形成能，与间隙质子形成协同加速氧化膜生长的正反馈机制。

（3）间隙质子与金属阳离子协同掺杂大幅提升Al³⁺外扩散通量，诱发指向氧化物/金属界面的高密度反向空位流。空位在界面处聚集合并，引发孔洞形核与粗化，造成界面韧性显著劣化。最终，氧化膜过早剥落失效本质上是加速的外向生长（源于间隙质子与金属阳离子掺杂协同降低空位形成能）与界面韧性衰减（由反向空位流诱导的孔洞导致）协同作用的直接结果。

图文解析

图1 自主搭建的水蒸气氧化装置试验示意图:（1）水箱;（2）气瓶;（3）精密蒸汽发生器;（4）高精度双柱塞泵;（5）流量计;（6）加热带;（7）管式炉;（8）样品;（9）氧化铝管;（10）防倒吸瓶

图2真空热处理后MCrAlY涂层微观结构

图3 空气环境下氧化早期MCrAlY涂层氧化膜表面形貌和PLPS荧光光谱分析

图4空气环境下氧化早期MCrAlY涂层各相氧化膜组成结构TEM分析

图5 水蒸气环境下氧化早期MCrAlY涂层各相氧化膜表面形貌和PLPS荧光光谱分析

图6 水蒸气环境下氧化早期MCrAlY涂层各相氧化膜组成结构TEM分析

图7 空气环境下氧化10小时、50小时和100小时MCrAlY涂层氧化膜组织结构分析

图8空气环境下氧化100小时MCrAlY涂层氧化膜组成结构TEM分析

图9水蒸气环境下氧化10小时、50小时和100小时MCrAlY涂层氧化膜微观组织结构

图10 水蒸气环境下氧化100小时MCrAlY涂层表面形貌与界面结构

图11 水蒸气环境下氧化10小时MCrAlY涂层氧化膜组成结构TEM分析

图12 水蒸气环境下氧化100小时MCrAlY涂层氧化膜组成结构TEM分析

图13 空气和水蒸气环境下MCrAlY涂层氧化速率比较

图14有/无间隙质子掺杂Al₂O₃空位形成能DFT计算结果

图15 有/无金属阳离子掺杂Al₂O₃空位形成能DFT计算结果

图16空气和水蒸气环境下氧化膜弹性应变能比较

图17高温水蒸气环境下MCrAlY涂层氧化膜生长与界面结构演化示意图

总结与展望

针对高温水蒸气环境中MCrAlY涂层失效机理不明的关键难题，本文创新性地提出质子-金属阳离子协同掺杂理论，揭示了该过程加速氧化膜生长及界面韧性退化的机制，为氢燃料燃气涡轮发动机抗水蒸气氧化高温防护涂层（如热障涂层）设计提供理论支撑。活性元素（如Y、Hf、Zr等）是降低氧化膜生长和提升界面韧性的关键因素，然而高温水蒸气环境下活性元素对MCrAlY涂层抗氧化性能的强化效应严重削弱。因此，设计抗水蒸气氧化高温防护涂层的关键之一在于强化活性元素效应，应重点通过调控多组元MCrAlY涂层组织结构，促进活性元素均匀分布，从而强化活性元素效应，并建立高温水蒸气环境下活性元素-组织结构-抗氧化性能定量构效关系。

作者介绍

陆杰，上海交通大学材料科学与工程学院，副研究员，博士生导师，国家级青年人才，上海市青年科技英才。立足我国航空发动机与燃气轮机热端部件高温热防护重大需求，开展高性能长寿命高温防护涂层设计与性能评价研究，支撑我国“两机”热部件先进高温防护涂层研制。主持国家自然科学基金、中国科协青年人才托举工程、两机基础科学中心重大项目子课题、东汽全国重点实验室高校共建重点课题、上海市启明星扬帆计划、上海市晨光计划等科研项目20余项。发表高水平学术论文40余篇，其中以第一作者与通讯作者身份在Corrosion Science、Journal of Materials Science and Technology、Composites Part B、Scripta Materialia以及Journal of the European Ceramic Society等国际顶级期刊上发表SCI论文30余篇，Scopus引用1600余次，H指数23，并担任《Corrosion Communications》与《中国腐蚀与防护学报》等多个期刊青年编委，研究成果授权/受理国家发明专利16项。

引用本文

Han Zhang, Hanchao Zhang, Ying Chen, Aihui Huang, Ling Li, Lirong Luo, Huangyue Cai, Na Ni, Ruyi Sha, Fei Xiao, Jingyang Wang, Xiaofeng Zhao, Jie Lu, Unraveling the oxidation behavior and failure mechanisms of a NiCoCrAlY coating in high-temperature water vapor, J. Mater. Sci. Technol. 253 (2026) 114-131

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