直接能量沉积制备Ti6Al4V/YSZ梯度材料：抗烧蚀与隔热性能的协同增强机制

本文采用直接能量沉积（DED）技术成功制备了Ti6Al4V/YSZ梯度材料（FGM），通过成分梯度设计实现了YSZ含量（0-30 wt.%）的无缺陷制备。研究表明，材料在高温环境下形成致密的TiO2-ZrO2-(Ti,Zr)O2氧化层，平均质量烧蚀率低于0.2 mg/s，热扩散系数低于0.047 cm2/s，显著提升了可重复使用航天器热防护系统（TPS）的可靠性。该工作为航空航天领域高性能梯度材料设计提供了新思路。

　　

亮点

本研究通过直接能量沉积（DED）技术成功制备了YSZ含量高达30 wt.%的Ti6Al4V/YSZ梯度材料，系统揭示了其微观结构演化、抗烧蚀机制与隔热性能的协同作用规律。

Ti6Al4V/YSZ梯度材料的微观结构

为探究YSZ含量对Ti6Al4V基体微观结构及析出相演化行为的影响，本研究对比分析了Ti6Al4V/5% YSZ、Ti6Al4V/15% YSZ和Ti6Al4V/30% YSZ梯度样品顶部区域的横截面形貌（图3a-c）。结果显示，Ti6Al4V/5% YSZ样品呈现细小的篮网状组织，析出相数量少且尺寸小；而Ti6Al4V/15% YSZ样品中析出相数量显著增加，部分区域出现团簇状分布。当YSZ含量升至30%时，样品中形成大量纳米级t-ZrO₂、c-ZrO₂和Y₂O₃相，这些原位生成相通过增强声子与电子散射作用，有效延长热流路径，从而提升隔热性能。

结论

通过严格的成分梯度设计，本研究利用DED技术成功制备了YSZ含量为0-30 wt.%的Ti6Al4V/YSZ梯度材料，系统阐明了微观结构演化、抗烧蚀性与隔热性能的耦合机制，为高陶瓷含量功能梯度材料（FGM）的热防护机制研究提供了新见解。主要结论如下：

（1）所有梯度样品均实现优异的冶金结合，无宏观裂纹；

（2）梯度成分设计有效抑制了高温下的层间剥落；

（3）原位生成的多元氧化物层与曲折热流路径共同赋予材料卓越的抗烧蚀性和隔热性能。