镀铝表面改性热障涂层研究新进展

航空发动机作为工业桂冠上的明珠，其服役寿命一直困扰着我国航空工业的发展。等离子喷涂-物理气相沉积（PS-PVD）是目前最有前景的第三代热障涂层喷涂技术，利用该技术可制备羽毛柱状结构的热障涂层。航空发动机服役环境苛刻，随涡轮进口温度增加，CMAS(外界灰尘等物质)腐蚀越来越成为发动机失效的重要诱因，CMAS被吸入航空发动机后，在高温下迅速融化，熔融的CMAS沉积在涂层表面，通过柱状晶间隙快速渗透进涂层内部，造成应变容限失效；同时，熔融CMAS与7YSZ的反应导致Y₂O₃稳定剂析出，致使Y₂O₃稳定剂从四方亚稳T′相转变为单斜m相；在热机械和热化学综合作用下导致涂层剥落失效。因此，如何抵抗CMAS腐蚀是羽毛柱状结构热障涂层面临巨大挑战，研究和解决羽毛柱状结构热障涂层的抗CMAS腐蚀性能具有重要意义。近年来，周克崧院士、刘敏教授(973首席科学家)所领导的高温防护涂层研究团队，围绕着国家重大战略需求，先后承担了国家重点研发计划、特支本土创新团队以及省重点研发等十余项高温防护涂层项目，聚焦于解决航空发动机涡轮叶片热障涂层所存在的CMAS腐蚀等行业瓶颈。

针对PS-PVD羽毛柱状结构热障涂层CMAS腐蚀等问题，张小锋博士等人提出了7YSZ热障涂层飞秒激光织构化+镀铝表面改性新思路，采用飞秒激光在热障涂层表面加工出具有超疏水特性的类荷叶乳头结构，再通过磁控溅射镀铝及真空热处理在涂层表面原位形成氧化铝扩散障，该工艺策略不但可以阻挡熔融CMAS的润湿铺展，而且可以减缓涂层对腐蚀物质的扩散速率，研究中介绍了飞秒激光织构化及镀铝改性工艺流程，研究了在室温及高温环境下CMAS颗粒在涂层表面润湿铺展行为及CMAS对7YSZ的损失机制，阐释了飞秒激光织构化及镀铝表面改性抗CMAS腐蚀机制。

上述研究成果于近期发表在材料腐蚀顶级期刊Nature合作期刊npj Materials Degradation (https://doi.org/10.1038/s41529-024-00505-2)，上述工作是张小锋博士以第一/通讯作者发表的第4篇Nature旗下期刊论文(npj Mater. Degrad. 8, 85 (2024)、npj Mater. Degrad. 6, 89 (2022)、 npj Mater. Degrad. 4, 31 (2020)、Nat. Commun. 13, 1332 (2022))。相关工作得到了国家重点研发计划、国家优秀青年基金、广东省杰出青年基金等项目资助。

图  PS-PVD热障涂层表面飞秒激光织构化及镀铝改性抗CMAS腐蚀新策略

供稿|热喷涂研究中心

供图|热喷涂研究中心