国内研究团队开发出耐受1500℃高温的新型高熵陶瓷涂层

在不断探索能够承受现代燃气轮机和飞机发动机严苛环境的材料的过程中，热障涂层（TBC）作为发动机部件的关键保护层发挥着至关重要的作用。钇稳定氧化锆（YSZ）涂层处于这场技术竞赛的前沿，尽管其应用广泛，但仍存在固有的局限性，使其有效工作温度低于1200℃。在相不稳定性、900℃以上辐射热导致的热导率增加、对腐蚀性CMAS熔体的化学敏感性以及湿气引起的性能退化等一系列连锁效应共同作用下，氧化锆涂层的耐高温性能受到严重损害，因此迫切需要研发能够安全承受高达1500℃高温的材料。

为了应对这一挑战，高熵陶瓷（HEC）作为先锋候选材料脱颖而出，展现出克服传统热障涂层长期面临挑战的巨大潜力。高熵陶瓷是由4种或4种以上占据晶格位点的主要元素组成的复杂陶瓷，形成单一相，其*的性能源于4种相互交织的协同效应：高熵效应增强相稳定性；缓慢扩散抑制有害的第二相生成；严重的晶格畸变赋予其机械强度；以及被称为“鸡尾酒效应”的意想不到的多功能增强作用。昆明理工大学冯晶教授和陈琳博士领导的研究团队利用这些特性，成功研制出可在高达1500℃高温下稳定运行的钽酸盐基高熵陶瓷涂层，取得了突破性进展。

该团队的创新方法是通过空气等离子喷涂在镍基高温合金基材上合成钽酸盐高熵陶瓷涂层。空气等离子喷涂工艺具有极高的热处理环境，能够将稀土阳离子Yb3+、Y3+以及五价阳离子Ta5+和Nb5+完全整合到氧化锆晶格中，形成厚度约为150微米的均匀萤石结构陶瓷涂层，该涂层位于厚度为120微米的粘结层之上。这种精细的成分设计赋予了涂层*的相稳定性和机械完整性，使其能够经受模拟实际极端工况的严格热测试。

至关重要的是，这些涂层经受了三项严苛的热测试：在1500℃下进行超过600次循环的快速热冲击、在1150℃下进行超过12000次循环的持续热疲劳，以及在1100℃下进行超过380小时的长时间等温退火。在这些严苛的测试中，涂层展现出*的耐久性，保持了其单相萤石结构，并表现出对通常会在此类应力下破坏涂层的降解机制的抵抗力。这一性能凸显了一项重要的突破，证明钽酸盐高弹性体涂层在远高于传统氧化钇稳定氧化锆涂层的温度下，提供了一种稳定且耐用的替代方案。

这项研究的一个关键发现揭示了在热冲击和热疲劳过程中威胁涂层性能的根本不同的失效机制。热冲击失效主要由陡峭的温度梯度驱动——在本例中，高温涂层表面与下方较冷的粘结层之间存在350℃的温差。由于陶瓷层和金属层之间热膨胀系数和机械刚度的不匹配，这种梯度会产生强烈的热应力，导致垂直于界面的微裂纹。这些横向裂纹不断累积并汇聚，*终导致涂层发生灾难性的剥落。

相反，热疲劳引起的失效主要源于粘结层上热生长氧化物层的逐渐形成和增厚，该生长氧化物层具体由NiCr2 4O 氧化物组成。当生长氧化物层的厚度超过其界面波纹半径的临界值（约为0.32）时，界面裂纹就会开始出现。此外，反复的热循环会引发烧结，使陶瓷涂层硬化并重结晶，降低其承受应力的能力，并进一步加剧表面剥落现象。这些细微的退化模式为理解涂层的机理提供了关键信息，对于延长涂层寿命至关重要。

冯晶阐述道，这些发现揭示了导致失效的主要物理过程，强调需要精细平衡热膨胀兼容性并抑制热生长氧化物的生长，以延长涂层在循环高温载荷下的耐久性。同时，陈琳指出，钽酸盐高弹性体涂层所展现的高热稳定性、低导热性和长使用寿命等基本特性，使其有望成为下一代氧化物热障涂层材料。这些涂层不仅代表了热障设计领域的飞跃，也为定制结构优化提供了平台，以满足日益严苛的航空航天应用需求。

展望未来，该研究团队致力于进一步提升钽酸盐高能复合材料涂层的抗氧化性和抗烧蚀性能。实际发动机运行会产生复杂的化学和机械环境，包括熔融碎片相互作用和变化的温度梯度，这要求涂层在多方面应力作用下保持其稳定性。通过加深对化学耐久性和抗侵蚀性的理解，并在实际运行的发动机中验证其性能，钽酸盐高能复合材料涂层有望很快从实验室成功走向航空航天领域，从而助力下一代推进系统在更高温度下运行，并提升其效率和可靠性。

这项开创性研究由昆明理工大学材料科学与工程学院金属先进凝固成形中心领导完成。研究团队在材料化学、力学测试和涂层技术方面的综合专长为这项热障涂层领域的变革性进展奠定了坚实的基础。