航空發(fā)動(dòng)機(jī)作為工業(yè)桂冠上的明珠，其服役壽命一直困擾著我國航空工業(yè)的發(fā)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(shù)，利用該技術(shù)可制備羽毛柱狀結(jié)構(gòu)的熱障涂層。航空發(fā)動(dòng)機(jī)服役環(huán)境苛刻，隨渦輪進(jìn)口溫度增加，CMAS(外界灰塵等物質(zhì))腐蝕越來越成為發(fā)動(dòng)機(jī)失效的重要誘因，CMAS被吸入航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)涂層內(nèi)部，造成應(yīng)變?nèi)菹奘В煌瑫r(shí)，熔融CMAS與7YSZ的反應(yīng)導(dǎo)致Y₂O₃穩(wěn)定劑析出，致使Y₂O₃穩(wěn)定劑從四方亞穩(wěn)T′相轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡眒相；在熱機(jī)械和熱化學(xué)綜合作用下導(dǎo)致涂層剝落失效。因此，如何抵抗CMAS腐蝕是羽毛柱狀結(jié)構(gòu)熱障涂層面臨巨大挑戰(zhàn)，研究和解決羽毛柱狀結(jié)構(gòu)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(xué)家)所領(lǐng)導(dǎo)的高溫防護(hù)涂層研究團(tuán)隊(duì)，圍繞著國家重大戰(zhàn)略需求，先后承擔(dān)了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、特支本土創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)以及省重點(diǎn)研發(fā)等十余項(xiàng)高溫防護(hù)涂層項(xiàng)目，聚焦于解決航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片熱障涂層所存在的CMAS腐蝕等行業(yè)瓶頸。

針對(duì)PS-PVD羽毛柱狀結(jié)構(gòu)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(gòu)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(jié)構(gòu)，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(kuò)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?fù)繉訉?duì)腐蝕物質(zhì)的擴(kuò)散速率，研究中介紹了飛秒激光織構(gòu)化及鍍鋁改性工藝流程，研究了在室溫及高溫環(huán)境下CMAS顆粒在涂層表面潤濕鋪展行為及CMAS對(duì)7YSZ的損失機(jī)制，闡釋了飛秒激光織構(gòu)化及鍍鋁表面改性抗CMAS腐蝕機(jī)制。

上述研究成果于近期發(fā)表在材料腐蝕頂級(jí)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(fā)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(guān)工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家優(yōu)秀青年基金、廣東省杰出青年基金等項(xiàng)目資助。

圖??PS-PVD熱障涂層表面飛秒激光織構(gòu)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