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研究背景

随着航空发动机向着更高推重比和燃烧室温度发展，热障涂层成为保护涡轮叶片等热端部件的关键技术。近年来，来自沙尘、火山灰等的环境沉积物（主要成分为CMAS）腐蚀问题成为了制约发动机安全性和寿命的致命威胁。CMAS粒子吸入发动机内部，在高温下熔融并黏附在叶片热障涂层表面，导致发动机服役寿命从几千小时降低至数十小时。近年来，新型氧化镱改性锆酸钆（GYbZ）材料因其更低的热导率和优异的抗CMAS性能而备受关注，但如何进一步提升其在动态、高温环境下的耐久性，仍是领域内亟待解决的难题。

本文亮点

图文解析

 图 1： (a) 制备态PS-PVD GYbZ涂层的表面形貌，呈现菜花状微凸起；(b) (a)中微凸起表面纳米颗粒的高倍放大图；(c) (b)中纳米颗粒的明场TEM图像。虚线椭圆区域内沿[001]晶带轴取向的电子衍射花样确认了萤石相的存在（左下角）；(d) 制备态PS-PVD DCL TBC的截面形貌。

图2： (a) 激光加工PS-PVD GYbZ涂层的表面形貌，呈现规则分布的锥形微柱；(b) (a)中微柱的高倍放大图，显示激光烧蚀区域均匀分布的纳米颗粒；(c) (b)中纳米颗粒的明场TEM图像。虚线椭圆区域内沿[111]晶带轴取向的电子衍射花样确认了萤石相的存在（左上角）；(d) 激光烧蚀后PS-PVD DCL TBC的截面形貌。

图3： 热循环测试后双尺度结构（a，d）和三级结构（b，e）TBC的宏观形貌，以及相应表面形貌的SEM图像（c，f）。

图4： 不同TBC的失效热循环次数（a）以及双尺度（b，c）和三级结构（d-f）TBC在CMAS侵蚀下热循环后的表面微观结构。

图5： (a) 制备态GYbZ/YSZ/NiPtAl涂层体系在CMAS耦合热冲击2500次后的截面微观形貌；(b-d) (a)中虚线矩形框所标示的顶部、中部和底部区域的高倍放大形貌。

图6： (a) 激光加工微纳三级结构GYbZ/YSZ/NiPtAl涂层体系在CMAS耦合热冲击4000次后的截面微观形貌；(b) 4000次循环后GYbZ涂层中部区域形貌，未见变化；(c) (a)中红色虚线矩形框区域的高倍SEM图像；(d-f) (a)中对应的Gd、Al和Si元素面分布图。

图 7： (a) 制备态双尺度结构涂层和(b)激光烧蚀后三级结构涂层的三维表面形貌及对应的二维轮廓图。制备态(c)双尺度结构和(d)三级结构涂层表面纳米颗粒的高角环形暗场(HAADF)图像及对应的Gd和Zr元素面分布图。(e) 不同表面形貌涂层的特征几何参数H/W。(f)双尺度结构和(g)三级结构涂层纳米颗粒尺寸的分布差异及平均值。

图8： (a) 热障涂层材料GYbZ、CMAS以及腐蚀产物Ca₂Gd₈(SiO₄)₆O₂和ZrO₂的模拟模型；(b) CMAS/GYbZ、CMAS/Ca₂Gd₈(SiO₄)₆O₂、CMAS/ZrO₂、Ca₂Gd₈(SiO₄)₆O₂/GYbZ和GYbZ/ZrO₂的模拟界面；(c) (a)中模拟模型的计算形成焓和内聚能；(d) (b)中模拟界面的计算分离功。

图 9： CMAS耦合热冲击4000次后反应区域的TEM分析。

图 10： 微纳三级结构涂层抗CMAS耦合作用下高温燃气热冲击性能的示意图。

图11：不同技术制备的热障涂层热循环寿命的Ashby图。

总结与展望

本研究通过将PS-PVD技术与超快激光直写技术巧妙结合，成功开发出了一种具有优异抗CMAS腐蚀性能的微纳三级结构热障涂层，为解决航空发动机热端部件CMAS腐蚀难题提供了有效方案。本研究创新性的提出的物理微纳结构设计与材料化学本征反应巧妙结合的抗腐蚀策略对于开发其他高性能防护涂层也具有重要的指导意义。

作者介绍

郭奕谦，北京航空航天大学材料学院讲师，主要研究方向为高温/超高温防护涂层。入选2024年全国博士后创新人才支持计划（博新计划A档），主持国家自然科学基金青年基金项目1项（2023），获2024年度中国复合材料学会卓越论文工程。以第一/通讯作者在Advanced Science，Journal of Materials Science & Technology等学术期刊发表SCI论文十余篇，ESI高被引论文1篇，申请/授权国家发明专利6项。

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