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Nb掺杂对Ti2AlC MAX相涂层力学及抗氧化性能的影响

MAX相涂层；Nb固溶；力学性能；高温抗氧化

MAX相是一大类热力学稳定，具有密排六方结构的层状高性能陶瓷材料，兼具金属和陶瓷的优异性能，在空天、海洋、核能等极端使役环境具有广阔应用前景。Ti<sub>2</sub>AlC作为MAX相中的一种，因质轻，且与钛合金有较为匹配的热膨胀系数，在涉海航空发动机防护等领域备受关注。但是，Ti<sub>2</sub>AlC较低的硬度和非保护性TiO<sub>2</sub>的中高温快速生长，极大限制了其在中高温结构件上的长寿命服役。本研究采用高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)复合直流磁控溅射(DCMS)技术低温沉积，结合后续高温固相反应两步法制备了结构致密、膜基结合性能优异的Ti<sub>2</sub>AlC和 (Ti<sub>1-</sub><em><sub><em>x</em></sub></em>, Nb<em><sub><em>x</em></sub></em>)<sub>2</sub>AlC(<em><em>x</em></em> = 0.05、<em><em>x</em></em> = 0.12和<em><em>x</em></em> = 0.17) 固溶体涂层。在此基础上探究了Nb固溶对Ti<sub>2</sub>AlC涂层力学和抗氧化性能的影响。结果表明，Nb掺杂能减少裂纹数量同时抑制裂纹扩展，使固溶(Ti<sub>1-</sub><em><sub><em>x</em></sub></em>，Nb<em><sub><em>x</em></sub></em>)<sub>2</sub>AlC比Ti<sub>2</sub>AlC具有更好的硬度和断裂韧性，x=0.17样品的硬度和韧性相比未固溶涂层，分别提升了16%和21%。750 ℃氧化24 h后，固溶(Ti<sub>1-</sub><em><sub><em>x</em></sub></em>, Nb<em><sub><em>x</em></sub></em>)<sub>2</sub>AlC氧化速率明显低于Ti<sub>2</sub>AlC，其氧化增重分别为Ti<sub>2</sub>AlC的1/4、1/7和1/8。氧化时间增加到60 h后，氧化层厚度增加，抗氧化性能与Nb固溶含量成正比。分析相关机制为，Nb的掺杂抑制了非保护性氧化膜TiO<sub>2</sub>的生长，具体表现为Nb固溶减少了TiO<sub>2</sub>中氧空位数量，有效抑制了氧的内扩散。上述结果为提高Ti<sub>2</sub>AlC相结构稳定性和中高温服役寿命提供了新思路.<br />