核心摘要：近日，湖南大学周志强博士、伍翠兰教授联合海南大学陈江华、谢盼教授研究小组在镍基单晶高温合金高温氧化机理研究方面取得重要进展，相关成果以题为“A refined formation scenario of high-temperature oxide sub-layers in nickel-based single crystal superalloys”发表在腐蚀领域顶级期刊Corrosion Science上（https://doi.org/10.1016/j.corsci.2025.113548）。这是继该联合研究小组揭示镍基单晶高温合金中Ta元素的复杂氧化行为（Corrosion Science, 2025, 251:112945, https://doi.org/10.1016/j.corsci.2025.112945）后又一重要发现。该研究借助海南大学皮米电镜中心先进的电镜平台技术，首次清晰揭示了镍基单晶高温合金表面在1100℃和初始1小时过程中形成5个亚层氧化物结构的精细进程及顺序。研究发现，该5层氧化物结构形成的空间顺序与时间进程不完全一致，是经历了复杂中间亚稳形态后的稳定氧化物层结构。这一颠覆传统认知的发现，为理解和设计提升航空发动机涡轮叶片等关键热端部件的高温抗氧化性能，提供了新的理论指导和思路。周志强博士为该论文第一作者，谢盼、陈江华教授为论文通讯作者。

研究背景：镍基单晶高温合金是制造先进航空发动机涡轮叶片的核心材料，其优异的高温强度和抗氧化性能直接决定了发动机的效率和寿命。在极端高温和氧化环境中，镍基单晶高温合金表面会自发形成结构复杂的多层氧化物，这些氧化物层的演化和结构稳定性可以决定合金的抗氧化性能和工作寿命。然而，揭示和理清这些氧化物层复杂结构的形成过程，尤其是其早期动态演化过程，一直是个该领域研究的难题，一个主要原因是进行原位或准原位跟踪观测表征需要在时空尺度进行精细取样。海南大学先进的皮米电镜中心设施为解决该难题提供了可能。

研究内容：研究团队针对这一挑战，选用第二代镍基单晶高温合金并在在1100℃的典型工作温度下进行氧化处理，对氧化初期（从10秒到1小时）的样品进行了准原位的精细时间序列取样和跟踪观测。采用先进聚焦离子束（FIB）制样、球差校正扫描透射电子显微镜（STEM）和能谱（EDS）成像技术，研究组成功地跟踪和清晰地观测到了五层氧化物形成的精细演化过程。

多尺度表征结果显示（图1），最终形成的氧化层结构是5个亚层氧化物结构，并非文献中普遍认为的3个亚层氧化物结构，空间分布上由表至深分别是：(Ni_0.9Co_0.1)O第1层、NiAl₂O₄第2层、CoCr₂O₄第3层、CrTaO₄第4层和Al₂O₃第5层。

图1 五层氧化物结构的EDS元素分布成像的叠加图像、五层氧化物结构的HAAD-STEM原子成像及对应的原子模型图

然而，本研究最关键的发现是这些氧化物层在时间上形成的顺序与其最终的空间位置顺序存在“颠倒”。传统观点认为，氧化层是从外向里一层层形成。但我们的观测清楚地表明，最内层的次生Al₂O₃层（即最终的第5层）形成得很早，甚至在第二、三、四层出现之前就已经在合金内部生成了。我们的研究揭示了其精细的动态演化进程：

1. 初始氧化（10-15秒）(图2-3)：合金表面的γ和γ'两相区域同时发生非晶化，并迅速在表面形成NiO纳米颗粒和初生的Al₂O₃层。

图2 DD6合金经过10秒氧化后沿γ基体[0 0 1]取向下的微观组织形貌图

图3 DD6合金在氧化60秒后的微观组织形貌以及原子尺度信息图

2. 第5层氧化物的形成（~120秒）（图4）：氧气原子优先通过合金中的γ相通道快速向内扩散，在更深的γ'相区域与铝原子结合，提前形成了独立、纯净的次生Al₂O₃层（即最终的第5层）。

图4 DD6合金经过120秒氧化后的微观组织形貌和元素分布

3. 中间层的转变（120秒至30分钟）(图5)：位于表面的“初生”Al₂O₃层并非终点，它会随着时间推移，通过内部元素的扩散与反应，逐步分异和转化为最终的NiAl₂O₄（第2层）、CoCr₂O₄（第3层）和CrTaO₄（第4层）三层结构。

图5 DD6合金经过30分钟氧化后的微观组织形貌和元素分布图

4. γ相就像氧气扩散的‘高速公路’（图6），它穿过形成的氧化层后，直接将氧输送到合金内部，促使第5层Al₂O₃层的提前形成。这种独特的时空形成机制，可能是此类合金具有优异抗氧化性的关键所在。

图6 DD6合金经过60秒氧化后的微观组织形貌以及成分分布图

总结与展望：该研究采用先进准原文电镜表征技术，揭示了镍基单晶高温合金氧化层形成的精细进程。不仅澄清了长期存在学术争议，更为重要的是，为未来通过微结构调控设计下一代超强耐高温合金提供了理论指导和思路。

图7 DD6合金在1100 ℃五层氧化物层的形成机理示意图

作者介绍

周志强，湖南大学博士，海南大学热带海洋工程材料及评价全国重点实验室特聘副研究员,主要从事金属材料在服役过程中组织演变及退化相关研究。以第一作者或其他作者在Corrosion Science, Ceramics International, Transactions of Nonferrous Metals Society of China, Materials Science & Engineering A, Powder Technology, Journal of Materials Science, Materials Characterization, Materialia等国内外知名期刊发表高水平论文20余篇，已授权中国发明专利2项。

谢盼，谢盼，男，湖南岳阳人，海南大学教授，博士生导师，湖南大学博士/博士后，奥地利Leoben大学联合培养博士。多年来从事金属材料的微结构与性能关系研究，以第一作者和通讯作者发表高水平论文三十余篇，已授权中国发明专利8项；担任《材料工程》、《航空材料学报》、《特种铸造及有色合金》期刊青年编委，中国材料研究学会材料分析表征分会首届理事会理事，第十一届电镜教育（实验技术与培训）委员会委员，教育部学位中心学位论文评议专家；作为项目负责人主持国家自然科学基金面上、国际（地区）合作与交流、青年和地区项目，中国博士后面上项目，海南省自然科学基金面上项目等，作为骨干成员参与了国家重大基础研究项目、国家自然科学基金重大仪器项目、国家自然科学基金重点项目等。曾获得海南省自然科技奖一等奖（排名第4）和中国材料研究学会科学技术奖一等奖（排名第4）。

陈江华，海南大学教授、博士生导师，海南大学热带海洋工程材料及评价全国重点实验室主任、分析测试中心主任、皮米电镜中心负责人，教育部国家级人才，教育部科技委材料学部委员，《电子显微学报》主编。在电子显微镜原子成像方法和高性能铝合金微观结构测量等领域做出过突出的科学成果，在Science、Nature Materials等著名杂志发表过180余篇论文，引领和推动了先进电镜技术的发展及其在材料研究中深入广泛的应用，是国内外知名电子显微镜专家和材料学家。先后主持过科技部、教育部、基金委、中车集团高铁列车公司等的重大重点研究计划项目。2016年获“全国优秀科技工作者”称号。担任和曾担任众多全国学术组织的常务理事和国内外学术杂志编委。曾获得海南省自然科技奖一等奖（排名第1）和中国材料研究学会科学技术奖一等奖（排名第1）。