涡轮丨中科院金属所：表面粗糙度对稀土改性氧化锆航空发动机热障涂层CMAS腐蚀行为的影响研究

热障涂层(thermal barrier coatings，TBCs)是航空发动机涡轮叶片的关键核心技术之一，可显著提高发动机工作温度，提升发动机推力和工作效率。随着航空发动机飞行空域的不断扩大，热障涂层的服役环境多变复杂，尤其遭遇沙漠地区，空气中携带的砂砾、沙尘和火山灰等微粒进入燃烧室，在高温条件下熔化后随着气流的冲击沉积在热障涂层表面。这些沉积物的主要成分包括CaO、MgO、Al2O3和SiO2（简称CMAS），CMAS对热障涂层造成严重腐蚀，导致氧化物稳定剂脱溶，附着层在热循环过程中发生热不匹配，加快涂层剥落，缩短热障涂层使用寿命，进而威胁航空发动机的安全运行。因此，开展针对热障涂层CMAS腐蚀环境下的行为机制研究刻不容缓。  

▲不同表面状态下涂层的3D激光共聚焦图：（a）NYSZ涂层，（b-d）MSZ涂层

结果表明，随表面粗糙度降低，涂层表面V型槽特征的深度逐渐降低，而驱动CMAS铺展的毛细管力随V型槽深度降低而减小，从而缩小CMAS与涂层的接触面积，增加纳米氧化锆和多元稀土改性氧化锆涂层与CMAS之间的润湿角。由于多元稀土改性氧化锆涂层的比表面积更低，与纳米氧化钇稳定氧化锆涂层相比，表现出更突出的CMAS润湿阻力和耐腐蚀性能。CMAS腐蚀后，MSZ涂层表面残余的CMAS层厚度更高，较小的比表面积能够降低涂层与CMAS反应的接触面积，从而延缓熔融CMAS向涂层内部的渗透速率。

该研究探索了表面粗糙度对氧化锆涂层CMAS润湿性和腐蚀行为的影响，并阐明了降低涂层表面粗糙度对提高抗CMAS腐蚀性能的重要作用。此外，该研究揭示了多元稀土改性氧化锆涂层相对于纳米氧化锆涂层表现出更优异的抗CMAS腐蚀性能，这些研究成果对高性能抗CMAS腐蚀热障涂层的设计具有重要指导意义。

▲1250℃下经CMAS腐蚀后不同表面粗糙度的NYSZ涂层的截面形貌：（a）5h；（b）20h