航空發動機作為工業桂冠上的明珠，其服役壽命一直困擾著我國航空工業的發展。等離子噴涂-物理氣相沉積（PS-PVD）是目前最有前景的第三代熱障涂層噴涂技術，利用該技術可制備羽毛柱狀結構的熱障涂層。航空發動機服役環境苛刻，隨渦輪進口溫度增加，CMAS(外界灰塵等物質)腐蝕越來越成為發動機失效的重要誘因，CMAS被吸入航空發動機后，在高溫下迅速融化，熔融的CMAS沉積在涂層表面，通過柱狀晶間隙快速滲透進涂層內部，造成應變容限失效；同時，熔融CMAS與7YSZ的反應導致Y₂O₃穩定劑析出，致使Y₂O₃穩定劑從四方亞穩T′相轉變為單斜m相；在熱機械和熱化學綜合作用下導致涂層剝落失效。因此，如何抵抗CMAS腐蝕是羽毛柱狀結構熱障涂層面臨巨大挑戰，研究和解決羽毛柱狀結構熱障涂層的抗CMAS腐蝕性能具有重要意義。近年來，周克崧院士、劉敏教授(973首席科學家)所領導的高溫防護涂層研究團隊，圍繞著國家重大戰略需求，先后承擔了國家重點研發計劃、特支本土創新團隊以及省重點研發等十余項高溫防護涂層項目，聚焦于解決航空發動機渦輪葉片熱障涂層所存在的CMAS腐蝕等行業瓶頸。

針對PS-PVD羽毛柱狀結構熱障涂層CMAS腐蝕等問題，張小鋒博士等人提出了7YSZ熱障涂層飛秒激光織構化+鍍鋁表面改性新思路，采用飛秒激光在熱障涂層表面加工出具有超疏水特性的類荷葉乳頭結構，再通過磁控濺射鍍鋁及真空熱處理在涂層表面原位形成氧化鋁擴散障，該工藝策略不但可以阻擋熔融CMAS的潤濕鋪展，而且可以減緩涂層對腐蝕物質的擴散速率，研究中介紹了飛秒激光織構化及鍍鋁改性工藝流程，研究了在室溫及高溫環境下CMAS顆粒在涂層表面潤濕鋪展行為及CMAS對7YSZ的損失機制，闡釋了飛秒激光織構化及鍍鋁表面改性抗CMAS腐蝕機制。

上述研究成果于近期發表在材料腐蝕頂級期刊Nature合作期刊npj Materials Degradation (https://doi.org/10.1038/s41529-024-00505-2)，上述工作是張小鋒博士以第一/通訊作者發表的第4篇Nature旗下期刊論文(npj Mater. Degrad.?8, 85 (2024)、npj Mater. Degrad.?6, 89 (2022)、 npj Mater. Degrad.?4, 31 (2020)、Nat. Commun.?13, 1332 (2022))。相關工作得到了國家重點研發計劃、國家優秀青年基金、廣東省杰出青年基金等項目資助。

圖??PS-PVD熱障涂層表面飛秒激光織構化及鍍鋁改性抗CMAS腐蝕新策略

供稿|熱噴涂研究中心

供圖|熱噴涂研究中心