蘭州理工腐蝕頂刊：激光誘導構建柱狀/致密結構顯著提升熱障涂層抗CMAS腐蝕性能

導讀：熱障涂層技術是“兩機”（航空發動機和燃氣輪機）領域的三大核心技術之一。在熱端合金部件表面涂敷高熔點、低熱導率、耐腐蝕的熱障涂層，可有效降低合金表面溫度80 °C～150 °C。傳統大氣等離子噴涂制備的熱障涂層（TBCs）陶瓷層為層狀多孔結構，具備優異的隔熱性能。然而，隨著新一代發動機服役環境的擴展，火山灰、沙塵等環境雜質在高溫部件表面沉積，并在高溫下熔融形成CMAS（CaO-MgO-Al?O?-SiO?）熔鹽，沿陶瓷層孔隙滲透，導致涂層結構損傷和性能退化，難以滿足更廣泛的服役需求。

針對這一問題，研究團隊創新地采用納秒脈沖激光對等離子噴涂制備的Gd?Zr?O?（GZO）陶瓷涂層進行表面重構，在涂層表面成功構建出“微柱狀+致密層”雙重防護結構，并揭示了激光誘導等離子體作用下陶瓷氣-固相不同取向轉變的機制。實驗結果表明，該結構使CMAS滲透深度較傳統等離子噴涂涂層降低了約三分之二，顯著提升了涂層的抗腐蝕性能。該研究為非真空條件下低成本制備微觀柱狀陶瓷結構提供了新思路。

相關成果以“Formation mechanisms of columnar/dense structure for Gd2Zr2O7 ceramics coatings with superior CMAS corrosion resistance”為題發表于腐蝕領域頂級期刊《Corrosion Science》（中科院1區，IF=8.5）。蘭州理工大學省部共建有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室為論文第一完成單位，碩士研究生鄭光彬為主要完成人，李文生教授為通訊作者。

本研究由蘭州理工大學省部共建有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室聯合布朗大學、蘭州資源環境職業技術大學共同完成，并獲得國家自然科學基金（52462010）、甘肅省杰出青年基金（25JRRA055）、甘肅省重大項目（23ZDGA010, 24ZD13GA018）及國家“111”計劃等項目資助。蘭州理工大學林巧力教授在潤濕性能測試分析方面提供了重要支持。

論文鏈接

https://doi.org/10.1016/j.corsci.2025.113348

Bo Cheng, Guangbin Zheng, Dong Hou , Chengyun Ding, Qianqian Chu, Li Feng, Guosheng An, Xinjian Zhang, Lan Sun, Haoteng Sun, Wensheng Li, Formation mechanisms of columnar/dense structure for Gd2Zr2O7ceramics coatings with superior CMAS corrosion resistance, Corrosion Science, 2025, 257, 113348

圖1 激光改性設備與工藝示意圖

圖2 激光功率對GZO涂層表面枝晶生長的影響（相場模擬）

圖3 激光重熔GZO涂層在重疊率為（a）96.00%、（b）92.00%、（c）88.00%和（d）60.00%的表面形貌

圖4 激光改性后涂層表面形貌與3D輪廓：（a-c）原始APS涂層；（d-f）8 W激光改性；（g-i）14 W激光改性

圖5 涂層截面SEM圖像：（a-b）原始APS；（c-d）8 W致密結構；（e-f）14 W柱狀/致密復合結構

圖6 噴涂態涂層（PS）、激光改性致密結構（LRDS）及激光改性柱狀結構（LRCS）的典型納米壓痕載荷-位移曲線；(b) PS、LRDS、LRCS 的硬度；(c) PS、LRDS、LRCS 的彈性模量；(d) 不同激光功率處理涂層的表面粗糙度參數（Sa、Sq、Sz）；(e) PS、LRDS、LRCS 的 XRD 圖譜

圖7 高溫CMAS潤濕角測試結果：（a-c）原始涂層；（d-f）激光改性涂層

圖8 CMAS腐蝕后截面與腐蝕深度統計：（a-c）1 h腐蝕；（d-f）4 h腐蝕；（g）腐蝕產物XRD；（h）腐蝕速率對比

圖9 激光改性過程中（a-d）致密結構和（a，e-k）致密/柱狀雙結構的形成機制示意圖

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝作者團隊支持