新策略！基于飞秒激光织构及镀铝表面改性的热障涂层抗CMAS腐蚀

等离子喷涂-物理气相沉积（PS-PVD）是目前最有前景的第三代热障涂层喷涂技术，利用该技术可制备羽毛柱状结构的热障涂层。PS-PVD制备的羽柱状结构热障涂层具有优异的应变容限、低热导率、高热循环性能及高结合强度等优点，已引起世界各国的广泛关注。然而，CMAS（CaO–MgO–Al2O3–SiO2其主要来源是大气粉尘、沙尘、高空火山灰、发动机启停阶段从地面吸入的粉尘）腐蚀是热障涂层面临的一个巨大挑战，特别是PS-PVD制备的羽毛柱状结构的热障涂层，CMAS被吸入航空发动机后，在高温下迅速融化，熔融的CMAS沉积在涂层表面，通过柱状晶间隙快速渗透进涂层内部，造成应变容限失效；同时，熔融CMAS与7YSZ的反应导致Y2O3稳定剂析出，致使Y2O3稳定剂从四方亚稳T′相转变为单斜m相；在热机械和热化学综合作用下导致涂层剥落失效。因此，如何抵抗CMAS腐蚀是羽毛柱状结构热障涂层面临巨大挑战，研究和解决羽毛柱状结构热障涂层的抗CMAS腐蚀性能具有重要意义。

在本项工作中，研究人员利用机械与化学相结合的方法制备了具有超疏水结构的热障涂层表面，通过超快激光表面织构化结合镀铝表面改性技术提高了涂层抗CMAS润湿和铺展性能。相关成果在线发表在《npj materials degradation》期刊，通讯作者为西安交通大学凡正杰副教授和广东省科学院新材料研究所张小锋教授级高工。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41529-024-00505-2

该研究的灵感源于荷叶的超疏水自清洁的特性，如图1所示为PS-PVD热障涂层表面超疏水特性的设计及构筑。研究表明，利用飞秒激光高峰值功率特性，结合激光加工参数设计可在热障涂层表面实现材料的非热熔性去除，使涂层具有超疏水特性，然后利用磁控溅射和真空热处理可在织构化的涂层表面进行镀铝改性构筑扩散障，可有效阻挡CMAS的渗透，实验结果表明该方法是一种切实可行的工艺策略。如图2所示，飞秒激光织构化结合镀铝改性技术，在热障涂层表面构筑了类荷叶乳头结构。图3显示，通过磁控溅射可在织构化涂层表面沉积一层均匀的铝膜，铝膜在真空热处理后与热障涂层发生原位反应形成保护层。

图1 PS-PVD热障涂层仿生超疏水表面设计及构筑过程。

图2 PS-PVD 热障涂层表面高、低倍率扫描电镜图。（a-d）喷涂态涂层。（e-h）激光织构涂层。（i-l）激光织构后镀铝改性涂层。

图3 （a-b）铝膜在激光织构涂层表面沉SEM横截面电镜图，（e-h）相应元素分布图。（c-d）激光织构涂层镀铝后真空热处理，（i-l）相应元素分布图。

在常温（图4）和高温（图5）环境下，对涂层的亲疏水特性进行对比研究，结果表明，PS-PVD制备的涂层具有亲水特性接触角只有12.3°，熔融CMAS极易通过柱状晶间隙渗透到涂层内部，进而造成涂层提前失效（如图6所示）；而激光织构化涂层，在常温下具有良好的超疏水特性，接触角达到161.7°，但在高温环境，超疏水特性可减缓熔融CMAS的铺展，却不能阻止CMAS的渗透（如图7a-b）；激光织构后镀铝改性涂层，在常温（高达168.8°）及高温（~99°）下均具有最大的接触角，镀铝改性后涂层表面形成扩散障，可有效减缓熔融CMAS的渗透，如图7（i-l）。

图4 涂层表面亲疏水特性。（a-c）喷涂态涂层亲水特性。（d-f）激光织构涂层超疏水特性。（g-i）激光织构后镀铝改性涂层超疏水特性。

图5 在1230℃ CMAS颗粒在涂层表面高温润湿铺展行为。

图6 喷涂态涂层CMAS腐蚀后的截面电镜图像及相应的元素分布图

图7 激光织构涂层和激光织构后镀铝改性涂层CMAS腐蚀后的截面电镜图像及相应的元素分布图

图8对激光织构后镀铝改性涂层的抗CMAS腐蚀机制进行总结，原理在于：(1)飞秒激光织化的超疏水结构抑制了熔融CMAS的扩散；(2)镀铝改性形成的扩散障层减缓了熔融CMAS向PS-PVD 热障涂层柱状晶间隙的扩散。上述工作不仅证明了飞秒激光在热障涂层表面织构化应用潜力，而且为提升PS-PVD制备羽毛柱状结构热障涂层的工程化应用提供了新思路。

图8 熔融CMAS在PS-PVD 热障涂层表面的润湿扩散模型示意图。

来自微信公众号“材料科学与工程”。感谢论文作者团队大力支持。