高溫金屬結(jié)構(gòu)材料環(huán)境退化的關(guān)鍵因素之一就是氧化，其是否抗氧化在于能否形成致密、熱生長速度慢以及熱穩(wěn)定性高的氧化膜。熱生長Al2O3是典型的保護性氧化物，人們對Al2O3生長型合金和涂層的高溫氧化行為進行了大量研究，并且發(fā)現(xiàn)加入少量的稀土元素（RE）或者它們的氧化物（RExOy）能進一步降低合金和涂層所形成的Al2O3膜的生長速度，產(chǎn)生所謂的活性元素效應(yīng)（REE）。
影響氧化動力學(xué)的活性元素效應(yīng)模型解釋
REE的解釋模型很多。有關(guān)影響氧化動力學(xué)的REE，目前有兩個較流行的解釋模型。一個是由著名金屬材料科學(xué)家R.A.Rapp等人提出的“界面毒化模型（PIM）”，即氧化過程中金屬基材中的稀土元素（RE）原子向氧化膜/金屬基體界面偏聚，通過釘扎界面失配位錯攀移而抑制氧化膜生長。另一個是“晶界偏聚模型”，即RE離子在氧化膜晶界偏聚，阻止了供膜生長的陽（或陰）離子“短路”擴散。RE晶界偏聚被TEM EDS工作證實。在此模型基礎(chǔ)上，美國橡樹嶺國家實驗室的B.A.Pint提出“動態(tài)偏聚模型（PIM）”，認為RE離子在Al2O3晶界動態(tài)偏聚，它在表面與界面之間的氧勢驅(qū)動下向表面遷移。熱力學(xué)上，RExOy比Al2O3更穩(wěn)定，那么前者氧化時如何產(chǎn)生向界面偏聚的RE離子呢？PIM模型沒有專門說明，而PIM模型認為也是因界面與金屬基體內(nèi)的氧分壓差所致。對于這一解釋，中國科學(xué)院金屬研究所彭曉課題組曾提出質(zhì)疑，認為雖然金屬基體內(nèi)的氧分壓會稍低于界面Al2O3/Al的平衡氧分壓，但這降低值不足以導(dǎo)致RExOy分解，提出偏聚于Al2O3膜晶界的RE離子來自于RExOy在膜中的微量溶解，而RExOy摻進膜中與a-Al2O3內(nèi)生長有關(guān)，并通過研究CeO2彌散的滲鋁涂層的氧化加以驗證（Corros.Sci.,53(2011)1954），但這一解釋還缺乏有力的證據(jù)。
CeO2影響氧化的活性元素效應(yīng)模型
最近，研究人員進一步用TEM和HREM表征滲鋁涂層熱生長Al2O3膜的微觀結(jié)構(gòu)并從涂層至膜中追蹤Ce，分析其分布情況、存在形式以及CeO2形貌與結(jié)構(gòu)的演化，獲得以下結(jié)果：1）涂層中無單質(zhì)Ce存在；2）Al2O3膜由外生長的g相和內(nèi)生長的a相組成；3）a-Al2O3內(nèi)生長導(dǎo)致CeO2彌散顆粒進入膜中并微量溶解產(chǎn)生Ce4+，后者易在晶界偏聚；4）Ce4+沿a-Al2O3晶界（其過程中吸收電子轉(zhuǎn)化為Ce3+）以及g-Al2O3孿晶界向外擴散，在表層沿孿晶界析出Ce2O3。據(jù)此，提出了CeO2影響氧化的REE模型，它解釋了RExOy產(chǎn)生偏聚于Al2O3膜晶界的RE離子的原因。對于單質(zhì)RE加入合金或涂層的情況，由于RE因固溶度低而會析出富RE顆粒，后者易氧化（因RE與O的親和力大）形成RExOy顆粒，因此，該模型還有望可解釋RE產(chǎn)生相關(guān)REE的本質(zhì)原因。