熱障涂層在CMAS環(huán)境下的失效與防護(hù)

楊?yuàn)櫇? 彭 徽,2, 郭洪波,2

（1．北京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191；2．高溫結(jié)構(gòu)材料與涂層技術(shù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100191）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片工作環(huán)境極其復(fù)雜惡劣，需要承受熱、力、環(huán)境等近20余種載荷的作用，因此導(dǎo)致葉片熱障涂層的失效機(jī)理非常復(fù)雜。研究表明，高溫氧化、熱膨脹不匹配引起的熱應(yīng)力、沖刷、環(huán)境沉積物侵蝕等是導(dǎo)致熱障涂層剝落失效的主要原因[1-3]。近年來，隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)服役溫度的提升，一種主要成分是CaO，MgO，Al2O3和SiO2（CMAS）硅酸鹽環(huán)境沉積物對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片熱障涂層的危害越來越嚴(yán)重，并引起高度關(guān)注。一方面，CMAS在葉片表面吸附和沉積容易導(dǎo)致葉片表面氣膜冷卻孔堵塞，降低冷效，進(jìn)而改變?nèi)~片溫度場和應(yīng)力場；另一方面，高溫下熔融態(tài)CMAS滲透到熱障涂層內(nèi)部，加速涂層燒結(jié)和相變失穩(wěn)，導(dǎo)致涂層服役壽命和隔熱能力大幅度下降[3]。

發(fā)動(dòng)機(jī)中的CMAS主要來自于自然環(huán)境（火山灰，沙礫）、人類環(huán)境（飛機(jī)跑道磨屑）和生產(chǎn)活動(dòng)（工業(yè)煙塵、煤灰的排放）等方面。由于受到火山噴發(fā)、燃煤、沙塵暴等因素的影響，大氣中的硅酸鹽粉塵日益增多，已經(jīng)成為現(xiàn)代航空安全的重大隱患之一。尺寸低于2 mm的火山灰顆粒是火山噴發(fā)后的大量產(chǎn)物，火山灰能在大氣中跨地域傳播并且尺寸小于10 μm的顆?？梢栽陲w行航道上停留數(shù)月。沉積物顆粒越小則比表面積越大，更容易在發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫環(huán)境下發(fā)生快速熔融。發(fā)動(dòng)機(jī)長期在這種高溫以及CMAS的條件下工作其后果無疑是致命的。1982年英航009號(hào)航班事故正是由于發(fā)動(dòng)機(jī)吸入火山灰導(dǎo)致溫度急升并造成四臺(tái)引擎熄火，2010年冰島火山噴發(fā)造成機(jī)場關(guān)閉而導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失在數(shù)天內(nèi)達(dá)到二十億美元。CMAS更多地在飛機(jī)起飛與降落的階段發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)達(dá)到峰值溫度時(shí)大量吸入到發(fā)動(dòng)機(jī)中而發(fā)生熔化[4]，進(jìn)而加速熱障涂層的破壞失效并對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的安全造成極大危害。這種CMAS硅酸鹽沉積物除了主要由CaO，MgO，Al2O3和 SiO2組成外，還包括 V，S，Na，F(xiàn)e等微量元素，其具體成分和含量隨著地域的不同有很大的區(qū)別。CMAS的熔點(diǎn)一般在1240 ℃左右[3]，低于先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前進(jìn)口溫度[3,5-6]。隨著先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)向高推重比和高熱效率發(fā)展，渦輪前進(jìn)口溫度顯著提高，這也將大大加強(qiáng)CMAS的熔融作用和對(duì)TBCs的破壞，因此，研究TBCs在CMAS環(huán)境下的失效與防護(hù)是提升發(fā)動(dòng)機(jī)研制水平的關(guān)鍵之一。

Aygun和Song等[6-9]研究了天然CMAS（如煤灰與火山灰）對(duì)TBCs的腐蝕損傷機(jī)理。實(shí)際上，為了方便研究CMAS沉積物對(duì)TBCs的相互作用，常常忽略V，S，Na，F(xiàn)e等微量元素的影響。

目前，應(yīng)用最成功且最廣泛的熱障涂層陶瓷材料(6%～8%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)Y2O3部分穩(wěn)定的ZrO2（YSZ）已被證實(shí)無法抵御CMAS的侵蝕[3,6,10-13]。同時(shí)，新型CMAS防護(hù)涂層的研制及不同CMAS組分對(duì)TBCs侵蝕行為的研究依然面臨諸多挑戰(zhàn)。為了提升熱障涂層的抗CMAS腐蝕能力，一方面，國內(nèi)外研究人員對(duì)其失效機(jī)理進(jìn)行了深入的研究；另一方面，研究人員在CMAS的防護(hù)方面也做了大量研究，并取得了顯著進(jìn)展。本文概述近年來TBCs在CMAS作用下的失效機(jī)理和在CMAS防護(hù)方面取得的最新研究成果。

1 TBCs在CMAS作用下的失效機(jī)理

關(guān)于CMAS的危害，早在20世紀(jì)90年代，中東和波斯灣等沙漠區(qū)域的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片上就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了玻璃狀沉積物的存在，Borom，Stott和Kim等對(duì)CMAS在高溫下侵蝕破壞TBCs進(jìn)行了早期研究，并提出了沙漠塵粒，火山灰等環(huán)境污染物沉積在葉片表面，堵塞葉片的冷卻孔，涂層發(fā)生密實(shí)，產(chǎn)生應(yīng)力并導(dǎo)致涂層早期失效[14-16]。

Drexler等采用更接近發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際使用條件下的熱梯度實(shí)驗(yàn)評(píng)估了熱障涂層在遭到熔融CMAS時(shí)熱力學(xué)性能[17]。Li等研究了熱障涂層早期的失效是涂層和熔融CMAS熱力學(xué)和熱化學(xué)相互作用的結(jié)果，還指出多孔的涂層非常容易受到熔融CMAS的腐蝕[18]。Witz等著重研究了高溫下CMAS與熱障涂層陶瓷層的化學(xué)作用，尤其是CMAS與陶瓷層反應(yīng)產(chǎn)生鎂鋁尖晶石和石膏等晶型，伴隨應(yīng)力產(chǎn)生的剝落等失效行為[19]。Wellman等對(duì)CMAS與YSZ產(chǎn)生熱化學(xué)和熱腐蝕作用的最低用量做了初步研究[20]。Vidal-Setif等測試了退役發(fā)動(dòng)機(jī)高壓葉片上的電子束物理氣相沉積（electron beam physical vapor deposition，EB-PVD）涂層遭到熔融CMAS腐蝕后在不同受熱區(qū)域的損傷情況[21]，結(jié)果表明：三種涂層的失效形式（垂直裂紋、滲透到涂層的多孔結(jié)構(gòu)和CMAS與涂層的熱化學(xué)作用）多發(fā)生在葉片最熱的區(qū)域（受壓測的熱力區(qū)和葉片的頂端）；在葉片較冷的區(qū)域，上述三種失效形式受到限制甚至不發(fā)生；受壓測的熱力區(qū)，CMAS的組成不只CaO，MgO，Al2O3，SiO2，還有一定量的 Fe2O3；由于氧化鋯在CMAS中的過飽和作用，除了氧化鋯發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變外，在CMAS和涂層相互作用的界面上還形成了鈣鋯鈦礦結(jié)構(gòu)的晶相。Kr?mer等對(duì)CMAS與涂層的熱化學(xué)作用進(jìn)行了研究，熱化學(xué)作用主要表現(xiàn)在CMAS中的Ca，Si，Al等的作用，形成尖晶石結(jié)構(gòu)物質(zhì)，吸收YSZ中的Y使ZrO2產(chǎn)生晶型轉(zhuǎn)變（t，m，c）和結(jié)構(gòu)變化，產(chǎn)生貧Y區(qū)，并詳細(xì)分析了CMAS熔融后滲透入YSZ柱狀晶間隙的情況。還有研究認(rèn)為CMAS的滲入量和對(duì)YSZ層的侵蝕腐蝕作用與陶瓷層中橫向裂紋產(chǎn)生的初始位置和產(chǎn)生剝落的位置有關(guān)[22]。

CMAS對(duì)TBCs的腐蝕破壞機(jī)制較為復(fù)雜，涉及熱學(xué)、化學(xué)、力學(xué)等方面。總的來說，CMAS沉積到涂層表面，首先，CMAS熔融后潤濕、黏附、滲入并侵蝕YSZ層內(nèi)，沖擊壓實(shí)陶瓷層和冷卻互溶后的密實(shí)作用，產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致分層、剝落等失效；其次，熱化學(xué)作用使YSZ溶解在CMAS中，使YSZ產(chǎn)生晶型轉(zhuǎn)變，進(jìn)而造成體積變化和內(nèi)應(yīng)力等機(jī)械作用；最后，CMAS的腐蝕降低了涂層應(yīng)變損傷容限，在熱循環(huán)過程中易產(chǎn)生分層、開裂和剝落。

1.1 CMAS 密實(shí)作用導(dǎo)致涂層分層、剝落失效

郭洪波等研究表明[12,23-25]，在CMAS的滲入與填充作用下，一方面等離子噴涂的YSZ涂層孔隙率發(fā)生了急劇下降，陶瓷層的燒結(jié)加快，使得熱障涂層的隔熱性能發(fā)生急劇惡化；另一方面CMAS的滲入改變了YSZ涂層的微觀結(jié)構(gòu)并形成了反應(yīng)層，此反應(yīng)層的熱力學(xué)性能與未被破壞的YSZ涂層不同；這使得熱循環(huán)過程中反應(yīng)區(qū)與未反應(yīng)區(qū)的熱膨脹性能不匹配而最終導(dǎo)致剝落失效。

如圖1所示，CMAS在高溫作用下形成熔體，與熱障涂層YSZ陶瓷層發(fā)生熱化學(xué)作用，由于電子束物理氣相沉積（EB-PVD）制備的YSZ層固有的柱狀晶結(jié)構(gòu)，使得CMAS熔體更容易滲入YSZ層內(nèi)部，并形成CMAS-YSZ互反應(yīng)區(qū)[12,22,26]?；シ磻?yīng)區(qū)可以被稱作CMAS滲入?yún)^(qū)，此區(qū)域的氣孔率大大減小，結(jié)構(gòu)成分與未受影響YSZ層顯著不同，使得整體YSZ層具有較大的差異，特別是在熱物理性能（熱膨脹系數(shù)，熱擴(kuò)散系數(shù)，熱導(dǎo)率，彈性模量等）上相差較大，在熱循環(huán)作用下，產(chǎn)生較大的層間內(nèi)應(yīng)力，引起整體涂層的失效，沿著涂層結(jié)合力較弱的氧化生長層（thermally grown oxide，TGO）處開裂，最終形成圖1和圖2所示的失效。

1.2 CMAS 滲入與熱應(yīng)力引起 TBCs陶瓷層分層剝落

Kr?mer和Evans等研究分析了航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪導(dǎo)向葉片等離子噴涂TBCs的失效機(jī)制，發(fā)現(xiàn)由于渦輪葉片在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的熱梯度與熱應(yīng)力，導(dǎo)致在CMAS滲入部位的陶瓷層和黏結(jié)層之間發(fā)生了剝落[27-28]。

郭洪波等[23]研究了在CMAS和高溫燃?xì)鉄釠_擊耦合作用下EB-PVD熱障涂層的熱沖擊壽命和失效模式，結(jié)果表明，在CMAS耦合作用下，熱障涂層熱沖擊壽命下降了60%～70%，涂層的失效主要以YSZ層狀剝離為主。一方面，CMAS滲入到涂層內(nèi)部，使得陶瓷層應(yīng)變?nèi)菹薮蟠鬁p?。涣硪环矫?，由于不同深度處CMAS滲入的濃度不同，引起陶瓷層沿厚度方向發(fā)生梯度燒結(jié)，導(dǎo)致涂層不同部位的彈性模量和熱膨脹系數(shù)等發(fā)生不同變化，產(chǎn)生剪切應(yīng)力，使得涂層發(fā)生如圖3所示的分層剝落。

1.3 沿柱狀晶與垂直裂紋的剝落

在氣孔率越高的涂層部位越容易產(chǎn)生CMAS的富集，尤其是對(duì)于EB-PVD制備的柱狀晶TBCs以及APS制備的垂直裂紋結(jié)構(gòu)TBCs，柱狀晶間隙和垂直裂紋都是滲入的渠道。熱障涂層中的垂直裂紋以及柱狀晶都能通過降低應(yīng)變能從而提高涂層的熱循環(huán)性能，有效增加應(yīng)力容限[29-30]；但由于其微觀組織的毛細(xì)管作用，又使得CMAS更加容易發(fā)生滲入，CMAS一旦阻塞在間隙中將快速降低YSZ涂層的應(yīng)力容限，并加快涂層的剝落失效[15,20,22,31-34]。在有垂直裂紋處，CMAS的滲入作用更加顯著，CMAS的影響可以達(dá)到Y(jié)SZ層的底部，在長時(shí)間CMAS富集環(huán)境下，涂層會(huì)在TGO處產(chǎn)生較大的應(yīng)力，引起TGO開裂和涂層整體剝落。

1.4 熱化學(xué)作用導(dǎo)致鱗片狀逐層剝落

高溫下CMAS與YSZ會(huì)發(fā)生較大的熱化學(xué)作用，CMAS的侵蝕、腐蝕作用引起了YSZ層眾多變化，層間熱不匹配使得分層處產(chǎn)生裂紋和剝落，而在實(shí)際服役過程中，TBCs受到高速火焰沖刷，并且在引擎啟動(dòng)和停機(jī)時(shí)遭受極大的溫度梯度，使得層間熱不匹配產(chǎn)生的應(yīng)力大大增加，而且長時(shí)間受到CMAS和熱循環(huán)耦合作用，使得柱狀晶陶瓷層發(fā)生損傷破壞，最終形成諸如鱗片狀剝落失效[35-38]。

1.5 YSZ 晶型轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力剝落

CMAS與YSZ陶瓷層的熱化學(xué)作用十分顯著，產(chǎn)生了明顯的CMAS-YSZ互反應(yīng)區(qū)，極大改變了YSZ層的結(jié)構(gòu)和形貌，其共存區(qū)域發(fā)生了互熔和重凝，形成了圓球狀或顆粒狀的YSZ，拉曼光譜檢測發(fā)現(xiàn)在互反應(yīng)區(qū)尖端處YSZ由四方相轉(zhuǎn)變?yōu)閱涡毕?，晶型轉(zhuǎn)變產(chǎn)生體積膨脹和內(nèi)應(yīng)力，是涂層出現(xiàn)裂紋的原因之一[20-22,39-44]。

Peng等[12]對(duì)1250 ℃/4 h熱處理后的EBPVD陶瓷層（厚度為80～120 μm）進(jìn)行了成分和微觀結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)在距YSZ表層約25 μm處熔融CMAS中富含Y3+離子，表層Y與Zr的摩爾比值約為1:50，遠(yuǎn)低于原始涂層中的比值，這表明高溫下涂層中Y3+離子發(fā)生了外擴(kuò)散，從而導(dǎo)致表層Y3+離子明顯消耗。由于Y2O3從YSZ中析出，勢必引起YSZ涂層發(fā)生相變失穩(wěn)，在熱應(yīng)力共同作用下，熱障涂層發(fā)生剝落失效。

2 CMAS的防護(hù)

由于CMAS引起的TBCs損傷失效原因很復(fù)雜，因此，針對(duì)CMAS腐蝕破壞采用的防護(hù)方法也有多種；既可以在YSZ等陶瓷隔熱層表面涂覆惰性防護(hù)涂層（使得TBCs保持原有的性質(zhì)不受影響），也可以通過改變TBCs本身的結(jié)構(gòu)來改變其與CMAS熔體的高溫界面潤濕性。制備CMAS防護(hù)涂層的主要方法有磁控濺射、EB-PVD、APS、電泳沉積（電鍍）、CVD、涂覆粉體、溶液滲入、熔融鹽涂覆后熱處理等。目前，保護(hù)TBCs不受CMAS侵蝕的防護(hù)涂層主要有三種：非滲透性防護(hù)層, 犧牲性防護(hù)層, 以及不潤濕防護(hù)層[45-49]。

從CMAS防護(hù)效果的角度，CMAS防護(hù)涂層可分為以下五種：第一，物理阻擋CMAS熔體向下滲入的防護(hù)涂層（CMAS熔體通過毛細(xì)管效應(yīng)沿著陶瓷層的孔洞、微裂紋等向涂層內(nèi)部滲透，若在陶瓷層表面形成一層惰性致密層，則可以起到阻止CMAS熔體向涂層內(nèi)部滲透的作用）；第二，在陶瓷層材料中加入可以促進(jìn)CMAS熔體快速形核結(jié)晶的物質(zhì)，避免涂層發(fā)生相變，同時(shí)促進(jìn)CMAS熔體結(jié)晶，阻止其進(jìn)一步滲入（例如在YSZ中摻雜，促進(jìn)鈣長石相或者尖晶石相形成，以阻礙熔體滲透）；第三，與CMAS反應(yīng)生成致密犧牲防護(hù)涂層（如稀土磷酸鹽，稀土鈰酸鹽和稀土硅酸鹽等）；第四，阻熔融CMAS附著的涂層材料；第五，涂層的微觀結(jié)構(gòu)改性來阻止或減緩CMAS對(duì)TBCs的滲透和腐蝕。

2.1 物理阻擋 CMAS 熔體滲入的防護(hù)涂層

Zhou和Mohan等在YSZ涂層表面制備了氧化鋁涂層，然后進(jìn)行燒結(jié)，得到了致密防護(hù)層，可以物理抵擋CMAS侵入；在高溫過程中，CMAS和α-Al2O3反應(yīng)形成了CaAl2Si2O8和MgAl2O4尖晶石[50-52]。此外，電泳沉積方法制備的環(huán)境障涂層也可以有效抵御CMAS腐蝕。何箐等[53]采用高能等離子噴涂工藝在YSZ涂層表面制備了10～20 μm的氧化鋁封阻層，使得YSZ熱障涂層熱循環(huán)壽命顯著提高。進(jìn)一步研究表明，氧化鋁涂層在1250 ℃以上將溶解于熔融CMAS中增加Al含量，導(dǎo)致CMAS中部分低熔點(diǎn)相轉(zhuǎn)變?yōu)楦呷埸c(diǎn)鈣長石相，這種轉(zhuǎn)變有利于界面穩(wěn)定性。

除了沉積氧化鋁，Biest等[54]研究了氧化鋯對(duì)TBCs的保護(hù)作用，使用穩(wěn)定的氧化鋯納米粉末懸浮液以電泳沉積方式沉積在低碳鋼基材上，制得了多孔氧化鋯涂層，但是這種方法制備的涂層微觀組織不均勻，并且含有大量直徑數(shù)十微米的孔洞。

Rai等[55]采用EB-PVD、磁控濺射等方法制備了多種防護(hù)涂層，發(fā)現(xiàn)防涂層均具有YSZ層的柱狀晶結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致CMAS沿柱狀晶間隙滲入，通過電子束重熔，獲得了致密、連續(xù)的Pd層，有效阻止了CMAS滲入。

2.2 促進(jìn) CMAS 熔體快速結(jié)晶的防護(hù)涂層

Aygun等采用溶液先驅(qū)體等離子噴涂（SPPS）技術(shù)制備了YSZ + 20%（摩爾分?jǐn)?shù)，下同） Al2O3+5% TiO2熱障涂層，其中在TiO2為形核劑的作用下，Al2O3促進(jìn)了CMAS結(jié)晶成高熔點(diǎn)的晶相。這種改性的YSZ陶瓷層促使CMAS熔體在剛滲入涂層表面就結(jié)晶，阻止了CMAS熔體滲入，同時(shí)并不影響涂層正常使用[56]。Kr?mer等采用EB-PVD技術(shù)制備了Gd2Zr2O7(GZO)涂層，發(fā)現(xiàn)經(jīng)熱處理后，CMAS熔體滲入GZO涂層柱狀晶間隙的趨勢明顯降低[57]。這是因?yàn)镃MAS熔體與GZO反應(yīng)生成的晶體快速填充了柱狀晶間隙，使得CMAS熔體的滲入被明顯抑制。Bacos等采用EB-PVD制備了成分為ZrO2-12% Nd2O3和Nd2Zr2O7的兩種涂層，結(jié)果表明，熱處理后涂層與CMAS快速形成了一層致密阻擋層，阻止了CMAS進(jìn)一步滲透[58]。

此外，Gd2Zr2O7是一種超高溫?zé)嵴贤繉痈魺釋硬牧?。郭洪波等研究發(fā)現(xiàn)，在Gd2Zr2O7材料中摻雜適量Yb2O3，不但可以顯著降低該材料的熱導(dǎo)率（摻雜 Gd2Zr2O7在 1600 ℃ 熱導(dǎo)率僅為 0.8 W·m-1·K-1），而且由于Yb2O3摻雜促進(jìn)了CMAS晶化，進(jìn)一步提高了Gd2Zr2O7涂層的抗CMAS腐蝕性能[59]。

2.3 與 CMAS 反應(yīng)生成致密無縫犧牲防護(hù)涂層

郭洪波等比較研究了等離子噴涂La2Ce2O7（LC）涂層與YSZ涂層的阻CMAS腐蝕性能[60]。研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過1250 ℃熱處理8 h后，熔融CMAS幾乎已經(jīng)滲透整個(gè)YSZ涂層（厚度約為300 μm），而相同厚度的LC涂層經(jīng)過20 h熱處理后，CMAS滲透深度不超過40 μm，進(jìn)一步增加熱處理時(shí)間，CMAS滲透深度幾乎沒有變化，這主要是因?yàn)長C與CMAS反應(yīng)生成了由 Ca2(LaxCe1–x)8(SiO4)6O6–4x和 CeO2組成的致密阻擋層。郭磊等研究了LnPO4(Ln = Nd,Sm, Gd)稀土磷酸鹽材料在1250 ℃熔融CMAS環(huán)境下的穩(wěn)定性，LnPO4與CMAS反應(yīng)生成了主要成分為Ca3Ln7(PO4)(SiO4)5O2磷灰石、CaAl2Si2O8和MgAl2O4的致密反應(yīng)層(如圖4所示)[61]。

Perrudin等研究了在1200 ℃下Gd2O3與CMAS(64.4SiO2-9.3Al2O3-26.4CaO，摩爾分?jǐn)?shù)/%)熔體的溶解反應(yīng)，還研究了析出物Ca2Gd8(SiO4)6O2和Ca3Gd2(Si3O9)2的高溫穩(wěn)定性[62]。Cui等研究了LaMgAl11O19在1250 ℃不同熱處理時(shí)間的CMAS環(huán)境下的腐蝕行為，觀察到高溫下LaMgAl11O19化合物和CMAS的腐蝕產(chǎn)物的反應(yīng)層也可以阻擋CMAS的繼續(xù)滲入[63]。

2.4 熔融 CMAS 防附著涂層材料

為了阻止高溫熔融CMAS在熱障涂層表面附著，一種方法是采用與熔融CMAS界面不浸潤的涂層材料。近來研究表明，Pd-Ag，Pd，Pt，AlN，BN，SiC，MoSi2，SiO2，ZrSiO4，SiOC 以及他們的混合物與熔融CMAS界面不浸潤，具有較好的CMAS防附著性能[46,55]。然而，有關(guān)這些材料的高溫穩(wěn)定性、這些材料與熱障涂層界面結(jié)合力、涂層制備方法等問題亟待解決。

2.5 結(jié)構(gòu)改性

通過改變TBCs表層微觀組織，得到超疏水或者不易被滲透的TBCs結(jié)構(gòu)。Rai等[55]提出對(duì)熱障涂層垂直形態(tài)柱狀晶結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控，如將其結(jié)構(gòu)改變?yōu)閆字形結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可能會(huì)使CMAS滲入時(shí)與YSZ柱狀晶有更大面積的接觸且曲折結(jié)構(gòu)使得CMAS滲入相對(duì)困難，這就使得CMAS向內(nèi)滲入的過程會(huì)與柱狀晶涂層有更長時(shí)間的接觸，與涂層材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成更高熔點(diǎn)或更高黏度的物相，最終使CMAS向內(nèi)滲入的過程受到抑制或者減緩。

21世紀(jì)初，為減小熱障涂層的熱導(dǎo)率，有學(xué)者已經(jīng)研究并制備了Z字形的熱障涂層，這種涂層的特點(diǎn)是柱狀晶不是垂直在金屬表面生長，而是曲折地以一種“Z”字形的形態(tài)向上延伸。這種Z字形結(jié)構(gòu)的熱障涂層可以保持涂層的柱狀晶結(jié)構(gòu)，在熱流方向上提供更多界面，降低了涂層的熱導(dǎo)率[64]。

Naraparaju等通過改變EB-PVD噴涂參數(shù)，使7YSZ涂層的柱狀晶形貌及孔隙率發(fā)生變化，研究表明具有更多羽毛形貌特征的7YSZ涂層擁有更高的抗CMAS能力[65]。

近年來金屬與半導(dǎo)體表面激光微加工技術(shù)發(fā)展迅速[66-68]，通過飛秒激光輻射加工的多脈沖凹坑結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了接觸角為150°的超疏水行為[69]。Liang等采用飛秒激光燒蝕技術(shù)在聚四氟乙烯表面制備出超疏水表面結(jié)構(gòu)，加工表面的形貌與粗糙程度等都可以通過調(diào)整激光參數(shù)來進(jìn)行調(diào)控[70]。同時(shí)，這種疏水結(jié)構(gòu)的加工可以一次完成，而且材料表面的疏水性能對(duì)工藝參數(shù)的變化不敏感，這使得激光加工將發(fā)展成為工業(yè)制造疏水表面的主要方式之一。近來，采用激光加工技術(shù)對(duì)TBCs表面進(jìn)行熔融處理，消除了涂層表層的孔隙和裂紋等，提高了涂層表面的致密度，有望改善涂層的抗CMAS腐蝕能力。

3 展望

隨著高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的迅速發(fā)展，葉片熱障涂層服役溫度不斷提升，CMAS對(duì)葉片和熱障涂層的危害越來越嚴(yán)重。如果不解決葉片熱障涂層CMAS的附著和滲透問題，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)部門將不得不重新評(píng)估熱障涂層的作用和葉片設(shè)計(jì)。與YSZ相比，目前正在開發(fā)的幾種超高溫?zé)嵴贤繉硬牧暇哂幸欢ǖ目笴MAS腐蝕能力，通過工藝和方法的改進(jìn)，對(duì)超高溫?zé)嵴贤繉咏Y(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控和優(yōu)化，將進(jìn)一步減緩CMAS的附著和滲透。特別是近來發(fā)展的等離子物理氣相沉積（PS-PVD）、溶液先驅(qū)體等離子噴涂（SPPS）等制備技術(shù)，有望減緩和解決高溫/超高溫?zé)嵴贤繉覥MAS附著和滲透的問題。

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