李美栓 中国腐蚀与防护学会高温专业委员会主任委员，博士生导师
随着国家发展战略的推进，高端化、高质化、高新化的产业体系如航空航天、能源、石油化工等等具有“三高”特点的优势支柱产业正在迅速崛起。发展产业，材料先行，先进的装备材料是高端产业发展的基础。在服役的过程中，材料难免会受到周围应用环境的侵蚀而发生腐蚀失效，航空发动机、涡轮机叶片、工业涡轮、航天发动机、火力发电机等的结构材料在高温下的作业，受到高温氧化和腐蚀。实践证明，高温材料本身要做到既有好的高温强度，又具有优良的抗氧化性、抗腐蚀性能十分困难，因此需要更多深入的研究和改进。为了全面了解高温氧化基础研究与防护技术发展现状及面临的挑战，寻找解决之道，展望其未来发展趋势。记者特邀请到中国科学院金属研究所李美栓研究员做相关方面的精彩解读。
李美栓，博士，中国腐蚀与防护学会高温专业委员会主任委员，中科院金属研究所二级研究员，博士生导师。长期从事高温氧化与防护涂层，MAX 相陶瓷，空间材料原子氧侵蚀与防护技术方面的研究并取得了丰硕的成果。
记者：您主要从事高温氧化与防护涂层等方面的研究工作，有三十多年的研究经历。请您谈谈这一研究方向在国家经济建设中的重要作用和意义。
李教授：为了保护这些热端部件在高温下免受氧化腐蚀和延长寿命，人们对高温结构材料和高温防护涂层进行了大量的研究。高温防护涂层能为高温下使用的金属材料提供有效的抗氧化防护作用，已广泛应用于航空航天、能源、石油化工等领域。多年来，科学工作者们不断致力于研发更先进的材料、涂层体系及制备技术，对高温防护涂层也提出了更高的要求，涌现出多种具有独特设计理念的新型高温防护涂层。
业内周知，氧化是自然界中最基本的化学反应之一。金属的氧化是指金属与氧化性介质反应生成氧化物的过程。除极少数贵金属外，几乎所有的金属都会发生氧化。由于实用金属材料在室温下氧化反应缓慢，而在相对较高温度下才剧烈并具有破坏性，金属的高温氧化正是研究金属材料在高温下与环境中的气相（含氧、硫、碳、卤素及氮等气体介质）或凝聚相物质（熔融盐、灰份/ 沉积盐、液态金属等）发生化学反应导致材料变质或破坏过程的科学。它是金属腐蚀与防护学科的重要组成部分之一，即金属腐蚀通常可分为两大类：水溶液腐蚀（湿腐蚀）和高温氧化（干腐蚀）。
“高温氧化”主要是为满足现代燃煤、燃油动力系统高温热端部件的发展而受到重视，并成为一门独立的分支学科。例如，燃气轮机（包括航空发动机和蒸汽轮机）和锅炉等，都涉及高温以及含氧、硫、水蒸气、熔融盐等复杂气氛，因此材料的高温氧化严重。此外，随着现代工业的发展，许多其他的重要工业领域也都涉及到高温氧化性环境，例如航天的火箭发动机，石油化工的石油精炼、接触改性与分解、氢化脱硫、乙烯制造，原子能反应堆的热交换器，汽车的排气用加热反应器与CO催化器，城市固体垃圾焚烧炉的过热器，煤的液化与气化，等等。如同我们知道的，金属腐蚀会造成部件或设备的使役寿命缩短，导致国民经济的重大损失甚至严重的安全事故。和水溶液腐蚀相比，高温氧化虽然主要发生在工业环境中，涉及面较窄，但是却涉及重要的工业领域，特别是航空航天国防领域。因此，开展高温氧化的研究，深入揭示金属材料的高温氧化机理，可为发展高性能耐热结构材料以及抗氧化表面防护涂层奠定理论基础，从而对国家经济建设与国防建设发挥重要作用。
记者：随着现代科学技术的发展，材料的使用环境越来越苛刻，对材料的性能要求也越来越高。请您谈谈目前高温氧化基础研究与防护技术发展现状，以及面临的挑战。
李教授：我们知道，材料良好的抗高温氧化性能取决于表面形成一层完整、致密、与基体结合良好、生长缓慢的氧化膜（如 Al 2 O 3 ,Cr 2 O 3 ,SiO 2 ）。针对这样的气 - 固反应过程，影响因素众多，包括：材质（成分，相，成分与相分布，晶粒尺寸，致密度等），气氛（氧化性介质组成，分压，气体总压，流速等），温度，以及其他作用效应（受力，冲蚀等）。任何改变上述影响因素的作用，都有可能改变材料的氧化行为。
首先是温度。如您所讲，对于燃煤、燃油动力系统，提高工作温度意味着更高的效率，但是更高的工作温度也意味着对热结构材料的力学性能、抗高温氧化性能等的要求也越高，常规材料无法满足应用要求时，就需要发展新的材料体系或者新的表面防护技术。例如航空发动机，为了提高推重比，目前燃烧室工作温度已达到 1400℃以上，随之涡轮叶片经历了铸造、定向凝固、单晶成型工艺，材质上也添加更多的稀有金属，以提高材料的高温力学性能；表面防护涂层，也从简单铝化物、改性铝化物、MCrAlY（M=Ni,Co） 发展到热障涂层体系。工作温度更进一步提高时，金属材料就会不适用，陶瓷基复合材料（如SiCf/SiC）成为潜在的未来发展目标。
特别是当温度超过 1200℃以后，金属作为抗氧化热结构材料不再适用，主要采用氧化时能形成 SiO 2 膜的SiC,Si 3 N 4 ,MoSi 2 等先进陶瓷或金属间化合物。而当温度超过 1600℃（超高温），常规的 Al 2 O 3 ,Cr 2 O 3 ,SiO 2 膜不再稳定，加之大量的气相与熔融相的生成，导致材料的抗氧化设计完全改变。例如，我国目前发展高超声速（5 马赫以上）飞行器，由于飞行器的速度很高，与大气摩擦会导致表面温度急剧升高，例如鼻锥和翼缘等部位的温度达到超高温（甚至超过 2000℃）。超高温氧化速度快，会使材料发生显著体积变化，从而严重影响飞行器的气动性能。因此，超高温热结构材料（如施加表面防护涂层的Cf/C 和超高温陶瓷等）的研发成为目前材料领域的一个热点方向。
其次是复杂环境，包括气氛中腐蚀介质种类越来越多，腐蚀性也越来越强；还可能受其他因素（如力，冲蚀等）的显著作用。比如，火电厂发电，锅炉内水工质经历了亚临界、超临界、超超临界的发展。水的临界参数是 :22.129MPa、374.15℃。在超超临界状态下，蒸气管道主要选用 Cr 2 O 3 形成合金。一般情况下，在 500℃ -700℃温度范围，Cr 2 O 3 膜具有良好的抗氧化性。但在高压、流动的水蒸气中，Cr 2 O 3 会以 CrO 2 （OH） 2 形式挥发，导致氧化膜减薄、形成孔洞，从而氧化速度加快且氧化膜易剥落。因此，目前迫切需要研发新的超超临界锅炉蒸汽管道用耐高温腐蚀材料或者表面防护技术。
总之，不论是温度提高，还是氧化性环境愈发复杂，或者受多重因素作用，一方面需要继续扩展材料的高温氧化理论；另一方面，传统热结构材料无法满足应用要求时，就需要发展新的防护涂层体系与相应的制备技术，或者研发新一代抗高温氧化材料体系。这些也是高温氧化与防护专业领域目前面临的挑战。
记者：您编著了《金属的高温腐蚀》一书，是专业领域内主要的中文参考书之一。请您介绍一下这本专著的情况。
李教授：《金属的高温腐蚀》是于2001 年冶金工业出版社出版的，全书共计 38 万字。当时为了研究生教学，特别需要一本有关金属的高温氧化专业教材。早先，主要的专业参考书是1两位教授编著的《Introduction to HighTemperature Oxidation of Metals》 （1983），1989 年出版了中译本。再往后，由北京科技大学朱日彰、何业东、齐慧滨三位教授编著了《高温腐蚀及耐高温腐蚀材料》（1995）。前书概念清晰，通俗易懂，适合作为教材或者入门级读物，但涵盖内容和深度略嫌不足；后书涉及面广，有深度，比较适合有一定基础的专业人士学习。正是基于此种情况，编著了《金属的高温腐蚀》，内容上尽可能地涵盖高温腐蚀研究方向，同时更多地侧重基础知识的介绍，因此比较适合作为教学参考书。该书受到专业研究者的好评。截止到 2017 年底，被中文核心期刊它引 843 次，SCI 论文（英文）它引 78 次。
另外需要补充一下，我的导师李铁藩先生于 2003 年编著了《金属高温氧化和热腐蚀》，也是高温氧化专业的主要参考书籍之一。
记者：您主要从事的是应用基础研究，请介绍一下您和您所在的团队取得的科研成果。
李教授：我于 1985 年开始攻读硕士学位，师从我国高温氧化与防护学科的主要奠基人李铁藩先生。从那时起，一直从事高温氧化与防护涂层方面的研究工作，已经有三十多年。因为主要在金属腐蚀与防护国家重点实验室（1995-2003）以及沈阳材料科学国家（联合）实验室（2003- 现在）进行研究工作，研究方向更多地偏重应用基础。虽然一直以来研究团队规模不大，但多年持续的研究仍取得较好成果。已在国内外核心期刊发表论文 251 篇，其中 SCI刊物 187 篇，包括 Acta Materialia 发表10 篇，Corrosion Science 发表 12 篇；被SCI 论文引用 3277 次；编著了《金属的高温腐蚀》（2001 年）；申请发明专利39 件，其中已获授权 31 件。
研究组成员：研究员 1 人，副研究员 2 人，项目聘用 1 人，学生 6 人。
我们课题组从 2005 年开始，与北京航天材料及工艺研究所合作，针对C/C 复合材料开展了一系列的超高温氧化研究。由于超高温氧化基础性研究是新的方向，我这里借此机会将我们取得的一些亮点成果做一个简单介绍。
（1）建立了具有自主知识产权的静态超高温氧化测试装置
基于感应加热技术，研制了可控气氛静态超高温氧化实验系统。该系统技术指标：最高温度，3000℃ ±20℃（针对 C/C 复合材料）；时间，3000s 以上；气体总压和氧分压，10 ～ 10 5 Pa；气体流速，10 ～ 210m 3 /h。同时安装有高速摄像机，可实现原位动态测量样品线度变化，精度 0.01mm。该实验系统可实现对温度、气氛、氧分压、气体流速的精确控制，克服了目前主要应用的氧 -乙炔燃烧、风洞等试验技术难以精确控制气氛、氧分压、温度，以及加热范围小等的不足，为超高温氧化研究提供了试验平台。
静态超高温氧化测试装置
超高温长时热-力-氧耦合环境试验系统
* 李美栓，钟洪彬，徐敬军，周延春，一种可控气氛超高温氧化方法及所用装置，发明专利，专利号：ZL200710083556.1，授权公告日：2011 年2 月 16 日
（2）建立了具有自主知识产权的超高温长时热-力-氧耦合环境试验系统
将感应加热和力学试验机结合，研制了超高温长时热 - 力 - 氧耦合环境试验系统。试验系统达到的技术指标：1）温度范围：室温 2200℃（针对 C/C 复合材料）；2） 载荷施加方式：恒应力或交变载荷，最高载荷 100kN；3）气氛总压：10Pa0.1MPa；4）气体流量：11000mL/min。测试系统的建立，为研究材料的力学 - 化学交互作用以及高精度、低成本、短周期评价材料在热 - 力 - 氧耦合作用下的性能退化提供了技术平台。
* 徐敬军，李美栓，王晓辉，钱余海，在室温到超高温下热 - 力 - 环境耦合作用测试装置及应用，发明专利，专利号：201410462803.9，授权公告日：2016 年 10 月 5 日
（3）利用所建立的超高温氧化测试平台，系统研究了纯石墨、ZrB2 和SiC 改性石墨、C/C 复合材料在不同表 面 温 度（1400-2000 ℃）、 气 体 流速（0.65-3m/s）、气氛和气体压力（0.5-20kPa 的氧气和空气）等条件下的氧化行为。提出了化学反应边界层扩散控制的超高温氧化模型。相关结果发表 在 Corrosion Science,76（2013）182 以及 78（2014）269。
记者：作为中国腐蚀与防护学会高温专业委员会主任委员，您了解目前国内在高温氧化与防护涂层等方面的研究和工程应用情况。和国外相比，国内研发水平如何？对国内未来的发展有什么想法？
李教授：国内，中科院金属所、北京科技大学、北京航空航天大学、北京航空材料研究所、广州有色金属研究所、西安交通大学、西北有色金属研究院、上海大学等，多年来开展了大量的高温氧化以及抗氧化防护涂层研究。在基础研究方面，针对新材料的高温 / 超高温氧化机理、环境因素的作用、活性元素效应等，国内和国外水平相差不大，而在防护涂层制备技术、涂层体系设计、涂层性能方面，国内较国外存在差距。随着我国国民经济的持续发展，科技创新战略的深化，相信在高温腐蚀专业领域国内研发会有更快的发展，并能取得更突出成果。
对于高温氧化与防护涂层，未来需要重点考虑如下几个方面，1）多因素作用和极端环境下材料的高温腐蚀机制；2）利用先进的分析测试技术，从多尺度表征氧化膜微观结构、组成、内应力等，特别是晶界、基体 / 氧化膜界面等，深入认识氧化膜生长、界面结合、失效等机制；3）利用已有的大量高温氧化动力学数据，结合热力学数据库，建立高温氧化数值模型，并预测材料在不同条件下的抗氧化性能，这对于抗氧化热结构材料以及高温氧化防护涂层的设计与选材具有重要意义；4）进一步推动热结构材料和高温氧化与防护涂层研发相结合，以及应用基础研究和实际工程应用相结合，有利于促进热结构材料和高温防护涂层的快速发展。
后记
道阻且长，行则将至。纵观高温抗氧化涂层近年来的研究及进展，超高温、长寿命、低成本仍是现在乃至今后发展的主题方向。促进了超高温碳基复合材料与涂层领域的发展，使我国抗氧化 / 烧蚀涂层理论研究跻身国际前沿水平，解决了国家重大战略亟需的多项关键超高温材料应用难题，为国家高端产业发展保驾护航。仍是高温抗氧化研究领域每个科研工作者的责任和义务。
● 人物简介
李美栓，1963 年出生，博士，中科院金属研究所二级研究员。1985 年内蒙古大学物理系毕业，1988 年于中科院金属腐蚀与防护研究所获硕士学位，1991 年于中科院金属研究所获腐蚀与防护专业博士学位。1991-2003 年在中科院腐蚀所 / 中科院金属所金属腐蚀与防护国家重点实验室工作，1995 年晋职研究员，1998 年被聘为博士生导师。2003 年至今，在沈阳材料科学国家（联合）实验室 / 国家研究中心高性能陶瓷研究部工作。主要研究方向：高温氧化与防护涂层，MAX 相陶瓷，空间材料原子氧侵蚀与防护技术。负责完成面上基金项目 4 项，“973”项目子课题 2 项，专项课题 7 项，科技部国家重大科学仪器设备开发专项子任务 1 项。目前作为负责人承担面上基金项目 1 项。已在国内外核心期刊发表论文 251 篇，其中 SCI 刊物 187 篇，被 SCI 论文引用 3000 多次；编著了《金属的高温腐蚀》（2001 年）；申请发明专利 39 件，其中已获授权 31 件。目前兼职《Journal?of?Materials?Scienceand?Technology》、《金属学报》、《中国腐蚀与防护学报》编委；中国腐蚀与防护学会高温专业委员会主任委员，中国硅酸盐学会无机测试技术分会副理事长，中国空间科学学会空间材料专业委员会委员等。