1 郑州大学材料科学与工程学院河南省高温功能材料重点实验室，郑州 10459
2 中钢集团洛阳耐火材料研究院有限公司先进耐火材料国家重点实验室，河南 洛阳 471039
3 中国中钢集团有限公司，北京 100080
4 昆明理工大学材料科学与工程学院，昆明 650000
新型高温热障涂层材料已成为新一代航空发动机发展的关键材料。本工作通过固相反应法合成了一种单斜结构的高熵稀土钽酸盐材料(Y0.2Gd0.2Dy0.2Ce0.2La0.2)TaO4[(5RE0.2)TaO4]，研究了其热、力学性能及抗熔融硅酸盐环境沉积物(CMAS)侵蚀性能。结果表明：(5RE0.2)TaO4具有极低的热导率(1.22 W·m-1·K-1，600 ℃)和较高的热膨胀系数(10.3×10-6 K-1，1 200 ℃)，与YSZ材料相比(2.1～2.7 W·m-1·K-1，100～900 ℃)热导率下降了近42%。由于独特的铁弹增韧效应，其断裂韧性达2.8 MPa·m1/2，优于多数新型热障涂层材料。1 350 ℃不同时间及CMAS侵蚀后，(5RE0.2)TaO4反应层厚度和渗透深度均显著小于YSZ材料，是一种极具应用潜力的新型热障涂层材料。
稀土钽酸盐 高熵陶瓷 熔融硅酸盐环境沉积物侵蚀 热障涂层 rare earth tantalate high entropy ceramics molten silicate environmental deposits corrosion r thermal barrier coating
1 上海工程技术大学材料科学与工程学院, 上海 201620
2 中国科学院上海硅酸盐研究所集成计算材料研究中心, 上海 201899
由于热障涂层体系结构的复杂和服役环境的恶劣, 极易导致涂层发生界面分层、宏观断裂和剥落失效。首先利用声发射技术实时监测了热障涂层在三点弯曲载荷下的失效过程, 结合微观形貌特征、声发射参数分析、K-means聚类分析识别了热障涂层损伤失效模式。然后利用Fourier变换、小波包变换等分析了4种失效模式的波形特征, 其中宏观断裂或剥落失效信号无明显频带, 而基底变形、表面垂直裂纹、剪切型界面裂纹、张开型界面裂纹对应的频率分布范围分别在62.5~125.0 kHz、187.5~250.0 kHz、250.0~312.5 kHz、375.0~437.5 kHz。采用机器学习的方法对原位声发射信号进行了深度处理, 提取小波能量系数作为机器学习反向传播神经网络的特征向量, 结合收敛曲线、混淆矩阵、受试者工作特征曲线、F1值评价了该模型优劣性, 实现了对于热障涂层失效模式的判别, 为热障涂层失效预测和寿命评估提供参考价值。
热障涂层 三点弯曲 声发射 失效模式 反向传播神经网络 thermal barrier coating three-point bending acoustic emission failure mode back propagation neural network
1 浙江工业大学激光先进制造研究院，浙江 杭州 310023
2 浙江工业大学机械工程学院，浙江 杭州 310023
3 浙江工业大学高端激光制造装备协同创新中心，浙江 杭州 310023
4 卡尔顿大学机械和航空工程系，加拿大 渥太华 KIS 5B6
热障涂层可为航空发动机、燃气轮机中的高温部件提供热防护，但其易受高温熔盐腐蚀而过早失效。激光合金化是一种提高涂层抗熔盐腐蚀性能的有效方法。本团队将TiAl3作为自愈合剂，对8%Y2O3部分稳定的ZrO2（8YSZ）热障涂层进行激光合金化改性。将喷涂态热障涂层和激光合金化改性热障涂层在900 ℃的75%Na2SO4+25%NaCl熔盐环境下进行4 h热腐蚀试验。结果表明：激光合金化改性热障涂层结构致密且表面分布着网状裂纹，改性层保持亚稳态四方相（t′-ZrO2）结构；喷涂态热障涂层在900 ℃腐蚀4 h后，腐蚀产物为单斜相m-ZrO2和Y2（SO4）3，表面有较多的热腐蚀产物；激光合金化涂层在900 ℃腐蚀4 h后，腐蚀产物为少量m-ZrO2和Y2（SO4）3，改性层结构未发生腐蚀破坏，涂层保持着结构完整性；自愈合剂TiAl3在高温下发生氧化反应生成的Al2O3和少量TiO2可以填补裂纹，有助于抑制高温腐蚀盐的渗透，从而提高了涂层的抗热腐蚀性能。
激光技术 激光合金化 热障涂层 抗热腐蚀性能 自愈合
LaMeAl11O19陶瓷具有独特的晶体结构, 优异的热力学性能, 低热导率, 高温相稳定性等特点, 是一类非常有应用前景的热障涂层(TBC)材料。本研究通过大气等离子喷涂(APS)制备了LaMeAl11O19/YSZ (Me=Mg, Cu, Zn)双陶瓷层热障涂层。通过对涂层进行火焰热循环测试并结合扫描电子显微镜、X射线衍射仪等分析技术对涂层进行失效分析。结果表明, LaMgAl11O19 (LMA)、LaZnAl11O19 (LZA)和LaCuAl11O19 (LCA)粉末在等离子喷涂过程中发生了分解, 导致三种涂层中磁铅石相含量的差异, 从而影响三种涂层的热循环寿命。由于LaMeAl11O19层与YSZ层的热膨胀系数不匹配以及非晶相重结晶产生的体积收缩, LaMeAl11O19层从YSZ层上剥落。YSZ层暴露在高温下, 加速了烧结和TGO的生长, 又促进了YSZ层剥落。低温下, LaMeAl11O19的热导率随着Me原子序数增加而降低; 高温下, 与LMA和LZA相比, LCA涂层红外发射率最高(0.88, 600 ℃), 削弱了光子传导对热导率的贡献, 导致热导率降低, LCA在高温红外辐射涂层中具有潜在的应用价值。
热障涂层 磁铅石型稀土六铝酸盐 火焰热循环 热力学性能 thermal barrier coating magnetite rare earth hexaaluminate flame thermal cycling thermodynamic property
武汉理工大学 硅酸盐建筑材料国家重点实验室, 武汉 430070
大气等离子喷涂制备的LaMgAl11O19 (LMA)热障涂层无定型相含量较高, 会严重影响涂层服役寿命。通过900~1600 ℃不同温度热处理12 h, 研究晶粒尺寸和孔隙率等微观结构和无定形相含量对LMA涂层力学、热物理以及抗热震性能的影响。结果表明: 喷涂态LMA涂层具有900和1163 ℃两个结晶温度点。900 ℃热处理后, LMA涂层中含有较多的无定形相以及最高的孔隙率((18.88±2.15)%), 1000 ℃测试时,具有最低的热扩散系数(0.53 mm2/s); 由于重结晶和烧结作用使得无定型相含量和孔隙率降低, 1100~1400 ℃之间热处理的涂层具有较高的硬度(1100℃时达到最高值(12.08±0.58) GPa); 1300 ℃热处理的涂层中含有大量微米级片状晶, 具有较高的应变容限以及平均热循环寿命(588次); 热处理温度达到1500 ℃时, 由于片状晶平行堆叠, 晶粒厚度迅速增加, 孔隙率增加、力学性能显著降低。热震过程中由于热应力的反复作用, 涂层内出现晶粒破碎和裂纹扩展等现象, 导致涂层最终失效。
LaMgAl11O19 热障涂层 热处理 热/力学性能 LaMgAl11O19 thermal barrier coating heat-treatment thermal and mechanical property
1 昆明理工大学材料科学与工程学院，昆明 650093
2 云南铜业股份有限公司西南铜业分公司，昆明 650000
热障涂层的作用在于为先进航空发动机热端部件提供热防护，保障其在高温环境中安全服役。低热导率和高断裂韧性一直是新型热障涂层材料选择的关键性能指标。本工作通过固相反应合成了一种性能优异的高熵稀土钽酸盐陶瓷(Y0.2Dy0.2Sm0.2Yb0.2Er0.2)TaO4 ((5RE0.2)TaO4)。结果表明：(5RE0.2)TaO4具有较低的热导率(1.68 W·m-1·K-1 @ 900 ℃)和较高的热膨胀系数(10.0×10-6 K-1 @ 1 200 ℃)。此外，由于独特的铁弹增韧效应，(5RE0.2)TaO4具有较高的断裂韧性(2.6 MPa·m1/2)和较低的脆性指数(2.1 μm-1/2)。鉴于高熵稀土钽酸盐陶瓷优异的综合性能，(5RE0.2)TaO4在热障涂层材料领域具有良好的应用前景。
稀土钽酸盐陶瓷 高熵陶瓷 热障涂层 铁弹增韧效应 rare earth tantalate ceramics high entropy ceramics thermal barrier coating ferroelastic toughening effect
武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室, 武汉 430070
采用等离子喷涂法在碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(SiCf/SiC-CMCs)表面制备了Si/(Yb1-xYx)2Si2O7/LaMgAl11O19(x=0、0.5)热/环境障涂层(T/EBCs)体系。通过SEM、EDS和XRD等测试方法研究了不同组成的T/EBCs体系在1 300 ℃下的热循环性能和抗水氧腐蚀性能, 进而探讨了热循环失效和水氧腐蚀失效机理。结果表明, 在T/EBCs体系中, Si/Yb2Si2O7/LMA涂层体系的热循环寿命为403次, 抗水氧腐蚀性能为50 h, Si/YbYSi2O7/LMA体系的热循环寿命降低至277次, 而水氧腐蚀性能提高至80 h。YbYSi2O7与LMA之间较大的热失配应力以及层间含Al化合物或固溶体的生成是Si/YbYSi2O7/LMA热循环寿命降低的主要原因; YbYSi2O7-EBCs层较少的杂质氧化物减少了与水反应生成挥发性物质的几率, 提高了Si/YbYSi2O7/LMA的抗水氧腐蚀能力。
热/环境障涂层 热障涂层 环境障涂层 热循环 高温水氧腐蚀 SiCf/SiC-CMCs SiCf/SiC-CMCs thermal/environmental barrier coating thermal barrier coating environmental barrier coating thermal cycle high temperature water-oxygen corrosion Yb2Si2O7 Yb2Si2O7 YbYSi2O7 YbYSi2O7
武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室, 武汉 430070
随着燃气涡轮机的应用温度不断提升, 陶瓷材料的抗CaO-MgO-Al2O3-SiO2(CMAS)性能越来越重要。通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)等测试方法, 研究了LaMeAl11O19(Me=Cu, Zn)陶瓷体材料在不同温度和时间条件下的抗CMAS腐蚀行为。结果表明, LaZnAl11O19(LZA)和LaCuAl11O19(LCA)体材料的腐蚀产物都包括透辉石(Ca(Mg,Al)(Si,Al)O7)和钙长石(CaAl2Si2O8)。随着腐蚀温度的提高和时间的延长, 腐蚀深度增加, Ca(Mg,Al)(Si,Al)O7逐渐转变为CaAl2Si2O8。LZA和LCA体材料的CMAS腐蚀可以用“溶解-析出”机制解释。体材料逐渐溶解到CMAS中, 形成Ca(Mg,Al)(Si,Al)O7, 进而逐渐转变为CaAl2Si2O8, 使难以结晶的透辉石相转变为易结晶的钙长石相。La原子为析晶的晶核, CMAS玻璃相与体材料之间存在界面能, 这些因素共同促进了CaAl2Si2O8在CMAS内部以及两者的界面处析出厚板状晶体。
陶瓷体材料 抗CMAS性能 腐蚀机理 燃气轮机 热障涂层 磁铅石型稀土六铝酸盐 ceramic bulk material CMAS resistance corrosion mechanism gas turbine thermal barrier coating magnetite rare earth hexaaluminate
西北工业大学 材料学院, 凝固技术国家重点实验室, 西安 710072
采用固相法制备了三种具有单斜结构的单相固溶体稀土钽酸盐高熵陶瓷(Nd1/6Sm1/6Eu1/6Gd1/6Dy1/6Ho1/6)TaO4 (6RETaO4)、(Nd1/5Sm1/5Eu1/5Gd1/5Dy1/5)TaO4(5RETaO4)和(Nd1/4Sm1/4Eu1/4Gd1/4)TaO4(4RETaO4), 扫描透射电子显微镜- X射线能谱(STEM-EDS)的分析表明掺杂的稀土元素分布均匀。通过扫描电子显微镜(SEM)观察到由四方-单斜的二级铁弹相变形成的铁弹畴。热膨胀测试表明RETaO4高熵陶瓷在1200 ℃以下具有良好的热稳定性, 其中6RETaO4的热膨胀系数可以达到9.25×10-6 K-1 (1200 ℃)。由于高熵效应带来的声子散射增加, RETaO4高熵陶瓷具有较低的晶格热导率(2.98~1.23 W·m-1·K-1, 100~1000 ℃), 并且表现出良好的力学性能(6RETaO4, (9.97±2.2) GPa), 是潜在的下一代热障涂层材料。
1 1.中国矿业大学(北京) 机电与信息工程学院, 北京 100083
2 2.河南工程学院 机械工程学院, 郑州 450019
寻求具有良好热物理性能的新型陶瓷材料是热障涂层领域的研究热点之一。本研究采用固相反应法制备了(Sm0.2Gd0.2Dy0.2Y0.2Yb0.2)3TaO7高熵陶瓷材料, 对其晶体结构、显微组织、元素分布、结构稳定性和热物理性能进行了研究。结果表明: 制备的高熵陶瓷具有单一的缺陷萤石结构, 元素分布均匀, 晶粒尺寸在0.2~3 μm之间。经高温循环热处理后依然保持单一的萤石结构, 表现出良好的高温结构稳定性。25~800 ℃范围内热导率为0.72~0.74 W/(m•K), 远低于7YSZ, 1200 ℃下的热膨胀系数约为5.6×10-6K-1, 低于热障涂层(TBCs)对表面陶瓷层材料的要求, 但与环境障涂层(EBCs)硅基陶瓷基体的热膨胀系数((3.4~5.5)×10-6K-1)接近。
