GYbZ/8YSZ隔热涂层在燃料燃烧产生的环境杂质作用下的降解机制

Gd掺杂Yb-Zr-O陶瓷热障涂层的喷气燃料腐蚀行为及机理研究，采用等离子喷涂制备GYbZ/8YSZ涂层，在含Ca-Si杂质的模拟燃烧环境中发现针状Yb-Gd-磷酸盐和颗粒状Gd-c-ZrO?腐蚀产物，揭示杂质与热循环协同作用下的腐蚀路径。

　　

毛伟国|李凯轩|李莎|戴文卓|刘金宝|龙卓宇|范希志|吴楠楠|王一静|左金璐|戴翠英

长沙理工大学材料科学与工程学院，中国湖南长沙410014

摘要

通过空气等离子喷涂技术在Inconel 600基底上沉积了GYbZ/8YSZ涂层。在不同环境下进行了腐蚀实验，并利用X射线衍射和场发射扫描电子显微镜系统地研究了相变和微观结构的退化过程。进一步通过扫描透射电子显微镜分析了腐蚀产物的成分和微观结构。研究发现，含有CaSi的环境杂质对针状Yb掺杂Gd-apatite和颗粒状Gd掺杂c-ZrO₂的形成有显著影响。随后讨论了GYbZ/8YSZ涂层的腐蚀路径和失效机制。

引言

热障涂层（TBCs）被广泛用于保护高推力航空发动机的涡轮叶片和燃烧室。然而，传统的TBC材料氧化钇稳定氧化锆（YSZ）在超过1200?°C的温度下无法满足使用要求，因为会发生高温相变和严重的烧结现象[1], [2], [3], [4]。为了克服这些限制，稀土锆酸盐被提出作为下一代顶层涂层材料[5]。这些陶瓷具有更低的热导率、更高的热膨胀系数以及显著更高的相变温度，使其成为先进TBC系统的理想候选材料——特别是钆锆酸盐（Gd₂Zr₂O₇, GZO）。尽管如此，单层GZO涂层通常会因断裂韧性低和热膨胀失配而出现高温剥落和有限的热循环寿命。为了解决这些问题，研究人员探索了阳离子掺杂和多层结构设计以提高机械完整性和耐久性[6], [7], [8]。在这些研究中，Yb掺杂的衍生物（Gd_0.9Yb_0.1)₂Zr₂O₇（GYbZ）显示出更低的热导率和更高的断裂韧性[9], [10], [11]。此外，GYbZ/8YSZ双陶瓷层结构可以提高热机械兼容性[12], [13]。

先前的研究已经证实了GYbZ基涂层在各种高温环境下的优异性能。例如，Wang等人[14]报告称，GYbZ/8YSZ TBCs在1150?°C下的热循环耐久性优于传统的YSZ。类似地，后续研究显示GYbZ/8YSZ涂层在1250?°C下表现出增强的CaO-MgO-Al2O3-SiO2（CMAS）耐腐蚀性，其中Gd-apatite和c-ZrO₂被确定为主要反应产物[15]。Chen等人[16]开发了一种三层GYbZ/Yb₂SiO?/Si热障和环境障涂层，并研究了其在1300–1400?°C下的温度依赖性氧化和失效行为。他们的结果表明，GYbZ层的高温烧结以及方石英的生长促进了裂纹扩展、界面氧化和最终剥落。Yuan等人[17]报告称，在(Gd_0.9Yb_0.1)₂Zr₂O₇陶瓷中加入GdTaO₄作为第二相，显著提高了其机械和热物理性能以及CMAS耐腐蚀性。这种改进的耐腐蚀性归因于形成了由磷灰石相关反应产物组成的致密密封层，有效抑制了高温下的CMAS渗透。Guo等人[18]通过超快激光处理在(Gd_0.9Yb_0.1)₂Zr₂O₇/YSZ涂层上设计了层次化的三尺度表面结构。这种定制的表面结构实现了微观结构介导的应变适应和反应性屏障的形成，从而将热机械和CMAS相关的退化解耦，使热循环寿命延长了50%以上。Kishor等人[19]观察到在Na₂SO₄–V₂O₅侵蚀下形成了稳定的GdVO₄和m-ZrO₂相，从而提高了化学稳定性；而Zhao等人[20]验证了GYbZ的卓越水热稳定性，其在1400?°C下100小时后仍保持萤石结构——显著优于YSZ，抑制了蒸汽诱导的相变。

尽管取得了这些进展，但航空发动机的实际运行环境比传统的熔盐或CMAS腐蚀测试模拟的环境要复杂得多。除了基于硅酸盐的熔盐侵蚀[21], [22]外，TBCs还暴露在含有硫和碳气体的喷气燃料燃烧环境中，同时还有来自燃料残留物和空气颗粒物的微量CaSi污染物[23]。与外部沉积的CMAS不同，这些燃烧产生的杂质以不受控制的方式不断补充，可能引发不同的腐蚀路径和退化动力学。然而，在这种喷气燃料燃烧环境下，尤其是在循环热载荷下，GYbZ/8YSZ涂层的腐蚀行为和失效机制仍很大程度上尚未被探索。

在这项工作中，系统研究了在模拟喷气燃料燃烧环境下空气等离子喷涂的GYbZ/8YSZ涂层的退化行为。通过XRD和FE-SEM表征了相变和微观结构的退化，同时利用STEM在原子尺度上进一步识别了新形成的反应产物。结果揭示了一种由燃烧产生的CaSi杂质与循环热应力共同驱动的腐蚀路径，为了解服务相关条件下的GYbZ基TBCs的退化机制提供了新的见解（图1）。

部分摘录

TBCs制备

使用D₅₀?=?45?μm的NiCrAlY粉末（天津德天珠非晶纳米技术有限公司生产）喷涂在Inconel 600镍基超级合金基底上，制备了厚度约为100?μm的粘结涂层。基底直径为25?mm，厚度为2?mm，在喷涂涂层前用40目棕刚玉进行了喷砂处理。设计的涂层由顶层的GYbZ涂层和底层的8YSZ涂层组成，形成了梯度涂层

宏观表面形貌的演变

图3显示了GYbZ/8YSZ涂层在1150?°C下热循环24至96小时后的表面形貌。在没有喷气燃料燃烧的情况下（图3(a–d)），涂层表面在整个暴露期间基本保持不变。未观察到明显的裂纹、剥落或宏观损伤，表明多层涂层系统在1150?°C的循环热载荷下具有足够的应变耐受性。

相比之下，暴露于

结论

在这项研究中，研究了GYbZ/8YSZ双层热障涂层在1150?°C模拟喷气燃料燃烧下的热腐蚀行为和失效机制。主要结论如下：

1.

与未暴露于燃料的环境相比，暴露于喷气燃料燃烧环境中的GYbZ涂层表面退化程度随着暴露时间的增加而逐渐加剧。

CRediT作者贡献声明

毛伟国：撰写 – 审稿与编辑。李凯轩：撰写 – 原稿撰写、实验研究、数据管理。李莎：资金获取。戴文卓：正式分析。刘金宝：实验研究。龙卓宇：数据管理。范希志：数据可视化。吴楠楠：概念构思。王一静：监督。左金璐：资源协调。戴翠英：监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（编号：2021YFB3702304-4）和国家科技重大专项基础研究项目（编号：J2022-VI-0008-0039）、长沙自然科学基金会（编号：kq2402007和kq2502181）、湖南省教育厅科学研究基金（编号：23C0132）的支持。