ppm级La掺杂对CMSX-4单晶高温合金热腐蚀行为的微观机制研究

　　针对第二代Ni基单晶高温合金CMSX-4在含硫/氯熔盐环境中热腐蚀抗力不足的问题，研究人员通过ppm级La（40/200 ppm）掺杂改性，结合SEM/EDS/TEM等多尺度表征技术，揭示了La通过促进Al/Ti/Ta外扩散和氧短路通道形成优化氧化膜结构的微观机制，使腐蚀速率降低超50%，为航空发动机叶片材料设计提供了新思路。

　　

在航空发动机和燃气轮机的核心部件——涡轮叶片领域，Ni基单晶（SC）高温合金因其优异的高温力学性能和抗氧化能力成为不可替代的材料。然而，随着发动机工况日益严苛，叶片材料面临熔融硫酸盐（Na₂
SO₄
）与氯化物（NaCl）协同作用引发的I型热腐蚀（900^o
C）威胁。这种腐蚀会破坏合金表面保护性氧化膜，导致部件承载能力骤降。尤其对于第二代经典合金CMSX-4，其3 wt.% Re的设计虽保障了力学性能，但低Cr含量（<10 wt.%）使其热腐蚀抗力显著劣化。更严峻的是，腐蚀与机械载荷的协同效应可能引发灾难性失效——例如Yang等学者发现熔盐环境会使材料流应力降低50%，而SOx渗透甚至能液化裂纹尖端合金。

面对这一挑战，稀土（REs）微量掺杂被视为突破材料性能瓶颈的"钥匙"。早期研究证实ppm级Y掺杂可提升Ni基合金900^o
C氧化抗力，但关于热腐蚀领域的作用机制始终未明。特别是La元素在CMSX-4中的分布形式、作用路径等关键科学问题，成为制约材料优化的瓶颈。为此，西北工业大学凝固技术国家重点实验室联合团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表研究，首次系统阐明了ppm级La（0/40/200 ppm）对CMSX-4热腐蚀行为的调控规律。

研究采用真空冷坩埚熔炼结合在线监测技术实现La精准掺杂（误差<5 ppm），通过900^o
C下90 wt.% Na₂
SO₄
+10 wt.% NaCl腐蚀实验模拟实际工况。利用场发射扫描电镜（SEM）观察腐蚀产物形貌，电子探针（EPMA）分析元素分布，聚焦离子束（FIB）制备TEM样品解析界面结构，并结合能谱（EDS）进行成分映射。

【Microstructural characterisation】显示La掺杂使γ'相尺寸从550 nm缩小至480 nm，且促进MC碳化物从骨架状向块状转变。这种微观结构优化为后续腐蚀抗力提升奠定基础。

【Surface roughness after hot corrosion】三维形貌分析表明，40 ppm La改性合金表面起伏度（Ra=12.3 μm）显著低于未改性组（Ra=18.7 μm），证实低La含量即可稳定腐蚀行为。

核心发现体现在三方面：

1. 动力学曲线显示40 ppm La使腐蚀"平台期"延长3倍，200 ppm组虽腐蚀速率降低56%，但动力学曲线与40 ppm组重叠，证实存在临界掺杂值；
2. TEM揭示La在氧化膜/合金界面偏聚，形成纳米级富La氧化物（La₂
   O₃
   ），为O^2-
   提供短路扩散通道；
3. EPMA证实La促进Al₂
   O₃
   膜外延生长，同时抑制Ta/W的酸性溶解，使腐蚀产物层厚度减少42%。

【Conclusions】指出ppm级La通过"反应元素效应（REE）"双重机制发挥作用：一方面界面偏聚的La降低氧扩散激活能，另一方面促进Al/Ti选择性氧化。特别值得注意的是，40 ppm La组表现出最优的腐蚀稳定性，这与其更均匀的MC碳化物分布相关。该研究不仅为CMSX-4合金的工程应用提供具体改性方案（推荐40 ppm La），更开创性地建立了"稀土掺杂量-界面结构-腐蚀行为"的定量关系模型，对发展新一代抗热腐蚀合金具有重要指导意义。