航空發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端部件長(zhǎng)期在極端高溫與腐蝕性環(huán)境中服役，熱障涂層（TBC）是守護(hù)這些部件的Zui后一道屏障。然而，傳統(tǒng)氧化釔穩(wěn)定氧化鋯（YSZ）涂層面臨一個(gè)頑固難題：來自火山灰、沙塵及燃油雜質(zhì)的鈣鎂鋁硅酸鹽（CMAS）熔鹽極易滲入多孔陶瓷基體，誘發(fā)裂紋與剝落，導(dǎo)致涂層過早失效。針對(duì)這一行業(yè)痛點(diǎn)，研究人員提出了一套全新的雙層熱障涂層架構(gòu)，并于2026年4月14日將成果正式發(fā)表在清華大學(xué)出版社旗下的《先進(jìn)陶瓷學(xué)報(bào)》（Journal of Advanced Ceramics）上。

這套涂層體系的核心創(chuàng)新，在于引入了一種致密共晶鋯鉭氧（Zr-Ta-O，簡(jiǎn)稱ZTO）核殼結(jié)構(gòu)頂層涂層，將其作為犧牲層覆蓋于傳統(tǒng)YSZ底層之上，構(gòu)成"ZTO/YSZ"雙層體系。整套涂層通過大氣等離子體噴涂（APS）工藝制備，兼顧了工程可行性與微觀結(jié)構(gòu)性。

ZTO共晶層的力學(xué)性能堪稱卓越。利用原位透射電子顯微鏡（TEM）開展的納米柱壓縮實(shí)驗(yàn)顯示，微米級(jí)ZTO納米柱在不發(fā)生斷裂的前提下，可承受超過30%的壓縮應(yīng)變，屈服強(qiáng)度高達(dá)4.5 GPa，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)YSZ涂層的斷裂韌性水平。這種超常的塑性與強(qiáng)度，源于其精心設(shè)計(jì)的共晶微觀結(jié)構(gòu)——鋯、鉭、氧三種元素以核殼相互穿插的形式交織排列，賦予涂層在機(jī)械載荷下前所未有的韌性與變形能力。這一協(xié)同效應(yīng)不僅強(qiáng)化了涂層抵抗機(jī)械應(yīng)力的能力，也為其出色的抗熱循環(huán)性能奠定了基礎(chǔ)。

在抗CMAS腐蝕方面，ZTO頂層發(fā)揮著一套精妙的"動(dòng)態(tài)防護(hù)"機(jī)制。高溫下共晶固化效應(yīng)促使ZTO層發(fā)生致密化，有效封堵涂層表面的孔隙，從物理上阻斷熔融CMAS的滲入通道，保護(hù)其下更為脆弱的YSZ底層。這一封堵作用大幅減少了腐蝕性熔鹽的侵入量，從根本上延長(zhǎng)了涂層的功能壽命。

更為獨(dú)特的是，ZTO層并非被動(dòng)地承受CMAS腐蝕，而是主動(dòng)參與一種自我保護(hù)的犧牲過程。當(dāng)腐蝕持續(xù)進(jìn)行時(shí)，反應(yīng)區(qū)內(nèi)的局部相變與熱膨脹失配會(huì)產(chǎn)生顯著的壓應(yīng)力，驅(qū)使富含CMAS的腐蝕反應(yīng)產(chǎn)物發(fā)生剝落，在損傷向涂層深部傳播之前將其主動(dòng)去除。這種"動(dòng)態(tài)封堵＋自主剝離"的雙重防御機(jī)制，是ZTO共晶獨(dú)特微觀架構(gòu)的直接產(chǎn)物，也是本研究Zui具突破性的發(fā)現(xiàn)之一。

為深入理解涂層的退化與剝落行為，研究團(tuán)隊(duì)引入了有限元分析，對(duì)CMAS侵蝕過程中的界面應(yīng)力分布進(jìn)行了精細(xì)模擬。計(jì)算結(jié)果顯示，應(yīng)力集中區(qū)域與實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的裂紋擴(kuò)展路徑高度吻合，證明ZTO核殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能有效耗散應(yīng)變能、延緩裂紋擴(kuò)展，使?fàn)奚鼘釉陬A(yù)設(shè)閾值處發(fā)生剝落，從而維持整體涂層的結(jié)構(gòu)完整性。

大量熱循環(huán)試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了該體系的穩(wěn)定性。鋯鉭氧化物（Zr?Ta?O??）頂層涂層在高達(dá)1150°C的溫度下歷經(jīng)逾2000次熱循環(huán)，未發(fā)生災(zāi)難性失效，表現(xiàn)優(yōu)于傳統(tǒng)YSZ涂層——后者在更少循環(huán)次數(shù)后便普遍出現(xiàn)過早分層。此外，該涂層斷裂韌性達(dá)到3.8 MPa·m^1/2，在熱機(jī)械嚴(yán)苛環(huán)境中展現(xiàn)出優(yōu)異的可靠性。

研究同時(shí)指出了當(dāng)前體系仍面臨的挑戰(zhàn)：粘結(jié)層界面處的熱生長(zhǎng)氧化物（TGO）的穩(wěn)定性問題不容忽視。傳統(tǒng)粘結(jié)層需要足夠的鋁含量，以形成穩(wěn)定的α-氧化鋁（α-Al?O?）層，限制TGO厚度并減少有害應(yīng)力。然而實(shí)驗(yàn)中觀察到的氧化鉻或尖晶石相，表明仍需開發(fā)適用于ZTO/YSZ體系的抗TGO粘結(jié)層。鉑擴(kuò)散改性鎳鋁（NiAl）粘結(jié)層被認(rèn)為是頗具前景的解決方向，有望與ZTO/YSZ體系協(xié)同匹配，同步氧化生長(zhǎng)速率，從而預(yù)防過早分層。

展望未來，調(diào)控ZTO殼層厚度將成為優(yōu)化剝落動(dòng)力學(xué)的關(guān)鍵策略，使其能夠靈活響應(yīng)服役過程中不同程度的CMAS侵蝕速率。激光輔助再涂層技術(shù)也有望在犧牲層的周期性更新中發(fā)揮重要作用，使涂層在整個(gè)部件服役周期內(nèi)持續(xù)保持動(dòng)態(tài)防護(hù)功能。

本項(xiàng)研究由李教授團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)完成。該團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期深耕高溫涂層與固體力學(xué)領(lǐng)域，將納米尺度表征、機(jī)理建模與真實(shí)熱腐蝕測(cè)試有機(jī)結(jié)合，持續(xù)推動(dòng)航空航天材料設(shè)計(jì)的前沿探索。此次成果的發(fā)表，標(biāo)志著多功能熱障涂層設(shè)計(jì)領(lǐng)域邁出了重要一步。共晶ZTO/YSZ體系通過集成機(jī)械韌性與主動(dòng)腐蝕防御，為延長(zhǎng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件壽命、提升燃油效率、降低維護(hù)成本提供了新的技術(shù)路徑，也為下一代航空推進(jìn)系統(tǒng)的熱防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)樹立了新的基準(zhǔn)。