锰、硅、铁在镍基高温合金抗腐蚀性能中的系统作用：面向航空发动机涡轮盘材料的微观机制研究

本刊推荐：为提升镍基高温合金在700°C含SO2/盐雾环境下的抗热腐蚀性能，研究人员系统探究了Mn、Si、Fe三种微量元素对腐蚀层结构的影响。通过SEM-EDX（扫描电镜-能谱联用）和APT（原子探针断层扫描）技术，首次发现Co3O4相中Mn-Fe富集颗粒与NiO中Si-Fe团簇的协同作用，并揭示了Fe修饰位错网络在NiO-Co3O4相界处的应力释放机制。该研究为新一代可回收涡轮盘合金设计提供了纳米尺度腐蚀调控新思路。

在航空发动机和燃气轮机的核心部件——涡轮盘的设计中，镍基高温合金（Ni-based superalloys）始终扮演着不可或缺的角色。这些合金需要在极端高温、高应力以及腐蚀性环境中长期稳定工作。然而，随着航空工业对效率提升和碳排放减少的迫切需求，涡轮盘的工作温度被不断提高，这使得传统合金在面对含硫燃料燃烧产生的SO₂气体以及空气中盐分（如Na₂SO₄与NaCl）共同作用时，容易发生严重的热腐蚀（hot corrosion）现象。热腐蚀不仅加速材料退化，还可能引发灾难性故障。因此，如何通过合理的合金设计提升材料在腐蚀环境下的耐久性，成为材料科学家面临的重要挑战。

以往研究表明，通过添加微量元素如锰（Mn）和硅（Si）可以改善合金的抗氧化性能。例如，Mn有助于形成MnCr₂O₄尖晶石保护层，而Si则可促进连续Al₂O₃层的形成。然而，在同时存在硫氧化物和盐沉积的复杂腐蚀环境中，这些元素的具体作用机制尚不明确。此外，为了推动绿色制造，近年来行业开始探索在合金中引入少量铁（Fe），以期利用回收原料，但Fe对腐蚀行为的影响也亟待系统评估。为此，由英国帝国理工学院、克兰菲尔德大学与罗尔斯·罗伊斯公司联合开展的本项研究，针对三种成分不同的镍基高温合金，在700°C、300 ppm SO₂及盐涂层条件下，系统揭示了Mn、Si和Fe对腐蚀层微观结构和抗腐蚀性能的调控机制。相关成果发表于《METALLURGICAL AND MATERIALS TRANSACTIONS A》。

研究人员主要采用了扫描电子显微镜搭配能谱分析（SEM-EDX）和原子探针断层扫描（APT）两种高分辨率表征技术。合金样本来自Allegheny Technologies Incorporated通过粉末冶金工艺制备的三种镍基高温合金（Alloy 1、Alloy 2和Alloy 2+Mn），其成分差异主要体现在Mn和Si含量上。腐蚀实验在700°C的含SO₂气氛中进行，并定期施加Na₂SO₄-NaCl混合盐。SEM-EDX用于分析腐蚀层形貌与元素分布，而APT则用于纳米尺度成分分析，特别是针对相界和团簇结构的解析。

氧化层形貌与成分分布

所有合金均形成连续的内外生长氧化层。外生长层以NiO为主，表面分布含Mn的Co₃O₄颗粒；内生长层为Cr、Al、Ti等元素的混合氧化物，界面处富集S、Si、Al。不含Mn的Alloy 2在100小时腐蚀后出现严重剥落，但延长至200小时并未加剧，表明剥落行为与Mn缺失无直接关联。EDX图谱显示，Mn仅存在于外生长层的Co₃O₄颗粒中，而Si在内生长层界面处以氧化物或硫化物形式富集。

APT纳米尺度相分析

从Alloy 2+Mn样本的外生长层中，APT揭示了NiO相内存在Fe-Si团簇（含3.2 at.% Fe、1.4 at.% Si），其氧含量高于周围基体，表明Si以SiO₂形式存在。在Co₃O₄与NiO相界处，APT观察到一系列平行排列的Fe富集线状特征，成分分析显示为Fe修饰的位错网络（Fe含量约4.4 at.%），其结构有助于释放NiO（岩盐结构）与Co₃O₄（尖晶石结构）之间的晶格失配应力。

元素作用机制讨论

与传统高温氧化（800°C空气）不同，热腐蚀环境下未形成MnCr₂O₄尖晶石或内部Al₂O₃侵入体。Mn通过固溶进入Co₃O₄提升外层稳定性；Si在内生长层界面形成氧化物/硫化物，抑制硫向内扩散。Fe在外层中分布于Co₃O₄颗粒和NiO团簇，并在相界位错处富集，这种结构可能延缓相界迁移，促进柱状晶生长，从而增强氧化层抗剥落能力。

本研究通过多尺度表征技术，明确了Mn、Si、Fe在镍基高温合金热腐蚀过程中的协同作用：Mn富集于Co₃O₄相提升外层保护性；Si在内生长层界面形成阻隔层抑制硫侵蚀；Fe通过修饰相界位错缓解应力，增强氧化层完整性。该成果不仅深化了对微量元素腐蚀调控机制的理解，更为设计兼具优异力学性能与环境耐受性的可回收涡轮盘合金提供了理论依据和设计方向。