学术报告

这篇文章属于类型a：即单一原创研究的学术报道。以下为对该研究的综合报告。

一、研究的主要作者与机构，以及发表信息

文章主要作者包括 Juan Kuang, Qianqian Wang, Zhe Jia, Guoming Yi, Bo Sun, Yiyuan Yang, Ligang Sun, Ping Zhang, Pengfei He, Yue Xing, Xiubing Liang 和 Yang Lu，以及 Baolong Shen。主要研究单位为 Southeast University（东南大学材料科学与工程学院）、Nanjing Institute of Technology（南京工程学院）、Harbin Institute of Technology（哈尔滨工业大学深圳校区）、China University of Mining and Technology（中国矿业大学）以及 The University of Hong Kong（香港大学机械工程系）。文章以“ablation-resistant yttrium-modified high-entropy refractory metal silicide (Y-HERMS) coating for oxidizing environments up to 2100°C”为题，发表于《Materials Today》期刊，卷号为80，出版时间为2024年11月。

二、研究背景

该研究聚焦于高熵耐火合金（Refractory High-Entropy Alloys, RHEAs）在极高温环境下的应用。这些材料因其卓越的机械性能在航空航天领域具有潜在应用，如火箭喷嘴、航空发动机和高超声速飞行器的前沿部件。然而，目前的高熵耐火合金仍面临在高达2000°C以上环境中抗氧化和抗烧蚀能力局限的问题。作为解决这一问题的潜在技术，高熵耐火金属硅化物（High-Entropy Refractory Metal Silicides, HERMS）因其高熵效应和特殊的热力学性质成为研究热点。

此前的研究表明，通过在金属硅化物涂层中掺入元素（例如Y元素）能够有效增强材料的氧化与烧蚀性能。然而，关于在极端高温下（例如2100°C以上）的抗烧蚀性能研究尚不充分，尤其是这些高熵涂层在动态烧蚀环境下的性能。因此，该研究旨在通过设计并开发一种掺钇（Y元素）改性的高熵耐火金属硅化物涂层（Y-modified HERMS coating），探究其抗烧蚀性能并解析其保护机制。

三、详细研究流程

1. 材料制备

研究对象为 NbMoTaW 高熵合金（Nb25Mo25Ta25W25, at.%），采用磁悬浮熔炼法制备主合金锭，纯度大于99.95 wt.%。随后通过线切割获得不同尺寸的试样。

涂层制备通过卤化物活化包渗法（Halide Activated Pack Cementation, HAPC）实现。反应粉末混合物包括硅（Si）和氧化钇（Y2O3）作为供体，氧化铝粉末（Al2O3）作为惰性填充剂，氟化钠（NaF）作为卤化物活化剂。通过改变氧化钇的比例，制备了不同含量的钇改性硅化物涂层。

2. 性能评估

烧蚀实验在超高温空气等离子喷射环境中进行，实验温度最高为2200°C，用以模拟高超声速空气动力学加热条件。通过称取试样烧蚀前后的质量和厚度，计算其线性烧蚀速率（LAR）和质量烧蚀速率（MAR）。

氧化行为通过热重分析（TGA）和高温炉内的静态氧化实验展开，进一步评估涂层在不同温度下氧化动力学的变化。

3. 微观表征

采用多种技术对涂层形貌和成分进行表征。具体包括： - 扫描电子显微镜（SEM）：观察涂层表面和截面微观结构； - X射线衍射（XRD）：分析涂层相组成； - 透射电子显微镜（TEM）和选区电子衍射（SAED）：研究界面微结构； - X射线光电子能谱（XPS）：分析涂层表面结合能变化； - 三维光学轮廓仪：评估烧蚀表面粗糙度。

4. 理论计算

使用密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT）模拟研究钇元素对硅化物涂层在抗氧化和抗烧蚀性能上的影响。建模包括 NbMoTaW 基表面模型和复合 Y元素的多层表面模型，通过计算吸附能、扩散势垒以及电子态密度，验证钇元素的作用机理。

四、主要研究结果

1. 微观结构和涂层生长

SEM和TEM结果表明，钇改性涂层（Y4-HERMS）的厚度约为58 μm，为未改性涂层（Y0-HERMS）厚度的两倍。涂层为均匀细颗粒结构，平均粒径为100–200 nm。钇掺杂显著提高了硅扩散速率，并促进了硅化物涂层的生长。

XRD数据显示，Y4-HERMS涂层由 (NbMoTaW)Si2 固溶体相组成，呈现六方C40型晶体结构。

2. 抗烧蚀性能

Y4-HERMS涂层在2100°C持续烧蚀180秒后几乎无损伤，而Y0-HERMS涂层在相同条件下完全损毁。分析显示，Y元素通过促进高熵钇铌钽氧复合相（Y(Nb0.5Ta0.5)O4）和高粘度Si-Y-O氧化层的形成，显著提高了涂层的抗烧蚀能力。

3. 氧化和扩散机制

DFT计算表明，掺钇后硅化物中Si-O键强度大幅增强，这提高了氧化过程中生成SiO2保护层的效率。此外，钇元素能有效阻止氧的内扩散，从而抑制氧化物保护层的破损。

五、研究结论及意义

该研究成功制备了一种具备超高抗烧蚀性能的钇改性高熵耐火金属硅化物涂层。通过改性钇的加入，该涂层在极端环境下展现了优异的结构稳定性和抗热冲击性能。此项研究对提升高熵合金在航空航天等领域产品的高温服役能力具有重要意义。尤其值得指出的是，该涂层不仅扩大了NbMoTaW合金的应用领域，更为探索下一代高温防护材料提供了一个创新方向。

六、研究亮点

1. 成功开发了2100°C条件下表现出近零烧蚀速率的钇改性涂层，为现有超高温防护材料树立了新标杆。
2. 揭示了Y(Nb0.5Ta0.5)O4骨架的形成机制及其对提升涂层热稳定性的重要性。
3. 使用DFT计算详细剖析了钇元素在涂层烧蚀与氧化中的作用。

七、其他内容

在补充试验中，研究团队通过静态实验进一步确认了Y4-HERMS涂层在1450°C长时间氧化条件下的优越性能。这一补充结果为推动相关材料的工业化应用奠定了基础。