三重尺度微纳结构热障涂层在热循环中抵御CMAS侵蚀的机制研究

本文创新性地采用等离子喷涂-物理气相沉积(PS-PVD)结合超快激光直写技术(ULDWT)，构建了具有三重尺度微纳结构的镱掺杂锆酸钆(GYbZ)/氧化钇稳定氧化锆(YSZ)双层热障涂层(TBCs)。研究发现，激光加工形成的微锥柱阵列和纳米颗粒显著降低了CMAS(CaO-MgO-Al2O3-SiO2)熔体的粘附与润湿性，同时高密度晶界促进了致密反应层形成，使涂层在1300°C火焰热循环与CMAS协同作用下的寿命突破4000次循环，较传统涂层提升50%以上。该研究为极端工况下TBCs的性能优化提供了新思路。

　　

Highlight

三重尺度结构TBC有效阻隔熔融CMAS润湿

图7对比了传统PS-PVD双尺度结构与激光加工三重尺度结构TBC的微观特征。共聚焦显微镜(CLSM)显示（图7a-b），原始涂层表面呈不均匀分布的菜花状突起（直径10-20μm），而激光处理后的表面形成规则排列的微锥柱阵列（高宽比1.5），锥顶和锥谷均密布500nm级纳米颗粒。这种独特结构使CMAS接触角从72°提升至118°，动态润湿实验显示熔体在锥顶呈现"弹跳效应"，滞留时间缩短60%。

Conclusions

本研究通过PS-PVD结合ULDWT技术成功构建新型三重尺度结构TBC，主要发现：

1. 在1300°C火焰热循环与CMAS协同作用下，涂层寿命突破4000次循环，较传统结构提升50%以上；

2. 微锥柱阵列通过几何限域效应抑制熔体铺展，纳米颗粒提供异质形核位点加速反应层形成；

3. 密度泛函理论(DFT)计算揭示，高密度晶界使CMAS/GYbZ界面反应能垒降低37%，促进生成连续致密的钙铝黄长石(Ca₂Al₂SiO₇)阻挡层。