西安理工大学《Acta Materialia》：Amorphous/nanocrystalline composite structure strategy for MoAlB: achieving rapid formation and gradual growth of α-Al2O3 scale at 1200 ℃

随着空天军事装备的跨越式发展，以马赫数>5持续巡航的高超音速飞行器面临严峻的热防护挑战。其关键部件（如鼻锥体、翼前缘）在气动加热效应下，局部温度高达上千摄氏度，由此引发的严重氧化损伤与热应力开裂等问题，已直接威胁装备的服役可靠性与结构完整性。

在高温防护体系中，α-Al₂O₃凭借其超低氧渗透率及本征热稳定性，显著优于Cr₂O₃和SiO₂，成为长时热防护的理想屏障层，这一特征突显了α-Al₂O₃形成物在极端环境中的独特优势。在此背景下，具有正交结构的MoAlB（222型MAB相）材料因其独特的各向异性键合特征，通过选择性氧化机制展现出优异的高温抗氧化性能，已被视为先进热防护领域极具发展前景的候选材料。然而，尽管学界普遍认同保护性α-Al₂O₃是MoAlB的宏观氧化机制，但其在1200℃等温氧化行为仍存在显著争议。此外，钼和硼原子参与形成的挥发性氧化物显著加剧了MoAlB材料的高温降解进程。

非晶（AS）材料由于原子长程无序排列而缺乏晶体学特征，展现出对腐蚀或侵蚀环境的独特抵抗能力。更为关键的是，这类热力学非平衡结构在高温条件下会发生动态演变：首先转化为纳米晶结构（NS），最终形成粗晶组织（CS）。伴随该相变过程产生的晶体缺陷动态调控现象（初期增加而后减少），为氧化物形成元素提供了优化的迁移通道，这有助于实现α-Al₂O₃保护层的快形成和慢生长特征，从而有望改善MoAlB的高温抗氧化性能。但需特别指出的是，均质非晶结构中原子单元的同步氧化将对MoAlB产生负面影响，因为挥发性氧化物会严重破坏α-Al₂O₃保护层的连续性和致密性。

针对上述关键问题，西安理工大学张国君教授课题组创新性地提出非晶/纳米晶双相结构MoAlB（ACCS-MoAlB）设计策略。该策略通过利用非晶与纳米晶相在热条件下的动态协同作用，进而在1200℃高温下实现了优异的抗氧化性能。原子分辨率表征揭示了部分参与反应的钼原子作为掺杂剂形成了α-(Al, Mo)₂O₃固溶体。氧化层和贫铝MoAlB基体间的良好粘附性归因于α-Al₂O₃的无位错型共格外延生长机制。此外，结合轻推弹性带理论计算与STEM-HAADF原子成像技术，阐明了MoAlB的选择性氧化动力学机制源于空位介导下Al原子沿[100]晶向的择优外迁移行为。

图1 实验流程及样品微观结构演变示意图.

图2 (a-k) ACCS-MoAlB微观结构，以及(l-o) AS-/ACCS-MoAlB样品表面钝化层的组成与发展.

图3 AS-/ACCS-MoAlB氧化动力学和热力学.

图4 ACCS-MoAlB经高温1200℃氧化60 min后的截面STEM图.

图5 MoAlB基质与α-Al₂O₃界面处原子尺度的STEM-HAADF图.

图6 (a-e) 非化学计量MoAlB基质的HAADF图与EDS结果，(f-i) Al空位扩散能垒图，(j) α-Al₂O₃保护层的HAADF图以及(k)几何相位分析.

综上，该研究展示了一种新型非晶/纳米晶双相结构MoAlB设计策略：巧妙地利用了非晶（抑制氧渗透）与MAB相纳米晶（定向Al供给）间的协同作用，并结合热致动态氧化响应调控，实现了α-Al₂O₃保护层的快速形成和缓慢生长特性，从而显著增强了MoAlB的高温抗氧化性能。这项工作为三元层状结构材料体系（即MAX相或MAB相）的高温抗氧化性能改善提供了双相功能解耦的创新设计范式。

相关成果以“Amorphous/nanocrystalline composite structure strategy for MoAlB: achieving rapid formation and gradual growth of α-Al₂O₃ scale at 1200 ℃”为题发表于材料领域国际知名学术期刊《Acta Materialia》（IF:8.3，1区TOP）。西安理工大学为该论文的第一署名单位，材料学院博士研究生张亚刚为论文的第一作者，西安理工大学张国君教授为论文的通讯作者。该工作得到国家自然科学基金、陕西省秦创原“科学家+工程师”队伍项目发展和西安理工大学博士创新基金的资助与支持。

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.120986