導讀：基于多元Ni - Co - Cr - Al - Mo - Ti - Ta - Nb - B體系，設計了一種以有序L12結構為主的新型化學復合金屬間化合物合金( CCIMA )。對其氧化行為和機理進行了系統研究。在900℃和1000℃氧化導致最外層形成主要的多元尖晶石氧化物，中間層形成含有金紅石型氧化物和硼氧化物的尖晶石氧化物，內層形成連續的Al2O3。此外，氧化導致基體/氧化層界面處因貧Al而發生L12相向D024相的轉變。連續形成的內部Al2O3氧化物很好地保護了合金不被氧化。

具有長程有序結構的金屬間化合物合金( IMAs )由于在室溫和高溫下都具有突出的屈服強度，在高溫結構應用中具有吸引力的性能，使其成為高溫環境中最具潛力的材料之一。與航空航天工業熱端主要使用的傳統鎳基高溫合金和鈷基高溫合金不同，有序IMA有望具有更輕的重量、更高的熔點、更好的熱導率和穩定的相結構，從而為高溫應用鋪平道路。先進的硼摻雜Ni3Al基鋁化物合金隨著測試溫度(低于800℃)的增加，屈服強度出現異常增加，并且在溫度高于800 ° C時，也表現出比耐蝕鎳基合金- X高溫合金更大的屈服強度。更重要的是，有序IMA中的本征脆化可以通過可控的微合金化或宏觀合金化來消除。最近，一種新設計的具有納米無序界面的多元Ni43.9 Co22.4 Fe8.8 Al10.7 Ti11.7 B2.5金屬間化合物合金不僅在室溫下表現出優異的強度和塑性組合，而且在1000℃的拉伸測試中保持了相當的屈服強度( ~ 400 MPa )和良好的塑性( ~ 25 % )。多元金屬間化合物合金在高溫下獨特的力學性能對其結構要求非常重要，而氧化是限制其高溫使用壽命的主要因素之一，因此，多元金屬間化合物合金的氧化行為值得進行定量和系統的研究。

一般而言，鋁化物和硅化物等有序金屬間化合物通常具有抗氧化和抗腐蝕的能力，因為它們能夠形成致密、粘附的氧化表面膜，保護母材免受過度攻擊。高合金化IMAs的氧化行為比鋁化物和硅化物復雜得多，這是因為添加了許多其他合金元素。例如，含Cr、Zr、Mo和B的Ni3Al基合金在900℃~ 1100℃氧化后，氧化膜主要由外層的NiO氧化層和內層的α - Al2O3、Ni Al2O4和(單斜晶系,四方晶系) - ZrO2混合氧化物組成。因此，許多合金元素已被檢查，以了解它們如何改變抗氧化性能；研究發現，在1000℃以上的熱循環過程中，添加少量的Hf和Cr可以增強Ni3Al合金中氧化膜的粘附性。特別是，Cr被合金化以緩解Ni3Al基鋁化物在中溫下的動態脆性，因為它被容納在L12結構中。此外，用難熔元素(如Zr、Nb、Ta、Nb、Mo、W、V、Hf等)取代Ni3Al基鋁化物中的Al亞點陣具有潛在的結果，如在室溫和高溫下具有更高的硬度和強度，因為這些元素在Al位的位置偏好。總的來說，Cr和難熔元素的元素調控有望保持Ni3Al基合金在高溫下具有更好的抗氧化性能和強化作用。在IMAs的設計中，除了金屬元素外，還需要添加少量的B元素，以提高機械性能，并且由于它們在內部氧化層中的積累，可以在800 °C下對Co基和Ni基高溫合金的抗氧化性能有益。

然而，每種元素的溶解度極限不同，復合合金化對相結構和相關氧化行為的影響也很少被揭示。香港城市大學材料科學與工程系的楊濤專家團隊進行了相關研究，本研究在Ni3Al型金屬間化合物合金中添加了Co、Cr、Nb、Mo、Ti、Ta和B等多元合金元素。B添加的動機是基于其對合金力學性能的影響，這是由于晶界強度的增加以及B和Co在晶界區域的共偏聚形成的無序納米層。我們對一種新設計的化學復雜金屬間化合物合金( CCIMA )在900℃和1000℃下的氧化行為進行了深入研究。研究了其物相結構、氧化動力學和氧化機理。揭示這一點將促進我們對金屬間化合物合金的合金化機制和高溫抗氧化性能的理解。這些發現將對正在嘗試開發用于高溫應用的抗氧化性化學復雜金屬間化合物合金的社區具有實用價值。相關研究成果以“Exceptional high-temperature oxidation resistance and mechanisms of a novel chemically complex intermetallic alloy”為題，發表在Corrosion Science上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0010938X23006492

圖1 EBSD ( a )為CCIMA的反極圖，( b )為CCIMA的相圖，( c )為CCIMA的能帶對比圖，( d )為CCIMA中各組成相的SEM照片。

圖2 ( a ) CCIMA的掃描透射電子顯微鏡( STEM )和相應的EDS圖像。( b )硼化物的TEM圖像和相關的選區電子衍射( SAED )圖案。( c ) L12相和FCC相的TEM照片及相應的SAED圖譜。

圖3 ( a ) L12相組成元素的鄰近性直方圖。( b )對典型的APT針尖進行了三維重構，顯示了L12相中的元素分布。

圖4 CCIMA在900℃和1000℃空氣條件下氧化100?h的氧化動力學：( a )增重；( b )體重增加與時間的平方。( c )目前CCIMA、高熵合金和傳統高溫合金的拋物線速率常數的比較。

圖5 CCIMA在900 ℃空氣中循環氧化100 h后的表面形貌及對應的直接作用和間接作用圖譜。

圖6 CCIMA在1000 ℃空氣中循環氧化100 h后的表面形貌及對應的直接作用和間接作用圖譜。

本研究對一種新設計的CCIMA的氧化行為進行了系統研究。CCIMA包含多組分的( Ni、Co)3( Al、Ti、Nb、Mo、Ta)型L12相，( Ta、Nb、Mo)( Co , Ni)2B型硼化物，以及富含( Ni、Cr、Co)的FCC相。CCIMA的氧化產生了多層氧化物結構，外層主要是多組分尖晶石氧化物，中間尖晶石氧化物層包括( Ti、Nb、Ta)2O4型氧化物和硼氧化物，而內層在900?℃和1000?℃處都是連續的Al2O3層。CCIMA在900?℃和1000?℃下的氧化速率極低，分別為8.7?×?10 - 5 mg2 cm - 4和5.6?×?10 - 4 mg2 cm - 4每小時。L12相分解為( Ni、Co)3( Ta、Ti、Nb)型D024相，這是由于連續Al2O3的形成消耗了Al。Al2O3層和( Ni、Co)3( Ta、Ti、Nb)相的形成均有助于消除Ti的不利影響，具有優異的抗氧化性能。高溫氧化后，硼在氧化物的邊界處聚集，這可能會增強氧化層的附著力。