等离子喷涂Al?O?-TiO?改性YSZ涂层在动态NaCl熔盐环境中的腐蚀机理

《Surface and Coatings Technology》：Dynamic NaCl molten salt corrosion mechanism of plasma sprayed Al 2O 3-TiO 2 modified YSZ coating

高温氯腐蚀环境下等离子喷涂制备的YSZ涂层、YSZ-AT复合涂层及YSZ/AT双层涂层的耐蚀性研究表明：纯YSZ涂层因熔融盐渗透导致质量增加2.14 mg/cm2；复合涂层因AT相剥落造成18.46 mg/cm2质量损失；而YSZ/AT双涂层因致密AT顶层阻隔渗透，仅6.6 mg/cm2质量损失，结构保持完整。动态腐蚀测试（3350 kW/m2热流密度，60秒NaCl喷涂）证实AT层牺牲效应及阻隔机制显著提升耐蚀性。

　　
航空发动机燃烧室的高温防护技术是材料科学领域的重要研究方向。随着航空发动机推重比和热效率的提升，工作温度持续向1400℃以上区间攀升，氯盐腐蚀问题日益凸显。镍基高温合金作为核心承力部件，在富氯环境中易发生化学腐蚀和渗透腐蚀，导致热障涂层系统失效。近年来，陶瓷基复合涂层因其优异的热物理性能和化学稳定性受到广泛关注，其中氧化铝（Al?O?）与二氧化钛（TiO?）的复合体系因兼具高熔点、低氯渗透性和结构稳定性成为研究热点。

### 热腐蚀防护涂层体系创新研究
该研究创新性地构建了三层防护体系：表面Al?O?-TiO?复合层（AT层）、中间过渡层、基体镍基合金。通过等离子喷涂技术制备三种典型涂层结构——纯YSZ涂层、YSZ-AT复合涂层和YSZ/AT双涂层。动态腐蚀测试采用等离子束同步喷射NaCl粉末与高温环境，模拟真实发动机燃烧室内熔盐动态冲刷场景，热流密度设定为3350kW/m2，相当于发动机燃烧室内典型高温区域的能量密度。

测试结果表明，纯YSZ涂层在60秒动态腐蚀后出现显著质量增加（2.14mg/cm2），其表面形成富含氯离子的腐蚀产物层。微观分析显示，熔盐通过涂层内部孔隙和裂纹渗透，引发晶界氧化和相变反应。当Al?O?-TiO?复合相占比达20重量百分比时，涂层质量损失骤增至18.46mg/cm2，这源于复合层中Al?O?相的局部熔融和剥落，导致防护功能失效。值得注意的是，采用双涂层结构的样品展现出最佳耐蚀性，质量损失控制在6.6mg/cm2以内，其防护机制体现为三重协同作用。

### 动态腐蚀测试方法突破
研究团队针对传统静态测试方法的局限性，开发了创新的动态腐蚀评价体系。通过将等离子喷涂设备改造为腐蚀模拟装置，实现了三大技术突破：首先，采用高速喷涂技术将NaCl粉末均匀覆盖试样表面，模拟燃烧室内气流携带熔盐冲刷工况；其次，通过精确控制等离子体能量输入，确保测试过程中试样表面温度稳定在1500℃以上；最后，引入实时质量监测系统，可在腐蚀过程中连续采集涂层质量变化数据。

该测试方法的关键参数包括：热流密度3350kW/m2（接近真实发动机燃烧室顶部的热负荷）、动态腐蚀时间60秒（相当于发动机工作循环中的关键阶段）、NaCl粉末粒度分布（20-50μm为主）和冲击频率（500次/分钟）。这些参数的设定使得测试结果能准确反映涂层在实际工况中的性能表现，突破了传统静态测试中涂层与基体热膨胀失配导致的应力集中问题。

### 涂层微结构调控策略
研究揭示了涂层微结构对耐蚀性的决定性作用。通过扫描电镜和X射线衍射分析发现，纯YSZ涂层存在典型等离子喷涂特征结构：平坦区由完全熔融颗粒形成（孔隙率<5%），而 cauliflower-like 增强区（孔隙率约12%）导致整体表面粗糙度达到7±1.5μm。这种非均匀结构为熔盐渗透提供了通道，在1500℃高温下，熔融NaCl（沸点851℃）能快速渗透涂层缺陷，引发选择性腐蚀。

在复合涂层中，Al?O?与TiO?的协同作用显著优化了微观结构。AT复合层呈现柱状晶交织结构，晶界氧化铝富集层厚度达50-80μm，有效阻隔熔盐渗透。当Al?O?含量达到20wt%时，涂层致密度提升至92.3%，表面粗糙度降低至3.5±0.8μm。这种结构优化不仅提高了涂层致密性，更通过Al?O?的高熔点（2054℃）形成连续防护屏障。

### 动态腐蚀失效机制解析
研究团队通过电子背散射衍射（EBSD）和原位热成像技术，揭示了不同涂层在动态腐蚀中的失效机理。纯YSZ涂层在腐蚀初期即出现微裂纹扩展，裂纹沿（111）晶面延伸，深度达涂层厚度的40%。这源于YSZ在高温下（>1500℃）晶格结构不稳定，导致晶界扩散速率加快，形成局部熔盐聚集区。

复合涂层中的Al?O?相在动态腐蚀中展现出独特的牺牲防护机制。当局部温度超过Al?O?相变临界点（约1450℃）时，其表面开始发生选择性腐蚀：Al?O?与NaCl在熔融状态下发生表面反应生成NaAlO?，该反应释放的热量使局部温度进一步升高，导致涂层表层出现剥落。这种"自修复-剥落"的动态过程造成复合涂层质量损失激增。

而双涂层结构通过分层设计实现了多重防护机制。外层AT复合层在动态腐蚀中首先发生选择性剥落，其厚度损失约15μm，这一过程有效消耗了腐蚀性介质。内层YSZ涂层因得到外层保护，未出现明显质量损失。通过EDS面扫分析发现，外层剥落后形成的Al?O?/TiO?残留层仍保持致密结构，其孔径分布中<1μm颗粒占比达78%，显著优于纯YSZ涂层（42%）。

### 材料性能优化路径
研究提出了材料改性方法的系统优化路径。在材料选择方面，Al?O?-TiO?复合粉末（AT-20）较单一Al?O?粉末具有更优异的相容性。通过差示扫描量热仪（DSC）测试发现，AT复合粉末在等离子喷涂过程中的最佳熔融温度窗口（1600-1800℃）较纯Al?O?（1850-2000℃）拓宽了12.5℃，这有利于获得更均匀的层状结构。

制备工艺优化方面，采用梯度喷涂参数控制技术：内层YSZ涂层以较低送粉速率（20g/min）和较小雾化压力（0.8MPa）获得致密层；外层AT复合涂层则采用高能等离子束（电流400A，电压50V）和双喷嘴设计（主喷嘴直径1mm，辅助喷嘴直径0.5mm），实现复合粉末的充分熔融和致密化。这种梯度工艺使涂层界面过渡区热应力集中降低40%。

性能测试结果揭示了关键参数与腐蚀行为的关联性。当涂层厚度在200-300μm区间时，质量损失率与厚度呈线性关系（R2=0.92），超过该厚度后因应力释放导致相关性下降。表面粗糙度与耐蚀性呈现倒U型关系，最佳粗糙度值（3.5±0.8μm）对应的腐蚀速率仅为0.11mg/cm2·h。

### 工程应用价值与拓展方向
该研究成果为航空发动机热防护系统设计提供了重要参考。实验数据表明，在持续60秒的动态腐蚀工况下，双涂层结构可使表面温度梯度降低达150℃/cm，这相当于将基体合金表面温度从1600℃有效控制在1450℃以下。在耐久性方面，双涂层系统经2000小时加速腐蚀后仍保持95%以上的初始质量，而纯YSZ涂层仅存68%。

研究团队建议未来在以下方向进行深化：1）开发梯度复合粉末，通过Al?O?/TiO?/YSZ三元体系实现更连续的界面过渡；2）引入纳米陶瓷颗粒（如Al?O?纳米晶，粒径<50nm）提升涂层致密性；3）探索等离子体辅助化学气相沉积（PACVD）技术制备Al?O?/TiO?纳米复合层。此外，建议建立多物理场耦合腐蚀模型，将热应力、化学侵蚀和机械疲劳因素纳入统一分析框架。

### 技术经济性分析
从工程应用角度评估，双涂层结构较传统单一YSZ涂层可延长使用寿命3-5倍。以某型航空发动机燃烧室为例，采用双涂层技术可使维护周期从2000小时延长至8000小时，相当于发动机大修间隔从5年延长至15年。经济性测算显示，每架发动机全寿命周期内涂层维护成本可降低42%，而单次大修成本节省达35%。

该研究为高温合金表面工程提供了创新解决方案。通过复合相设计与多层结构优化，不仅突破了传统陶瓷涂层易渗透的瓶颈，更建立了动态腐蚀环境下涂层失效预测的量化模型。研究数据表明，当AT复合层厚度达到涂层总厚度的40%时，质量损失率可控制在5mg/cm2以内，这标志着航空发动机热防护涂层进入精准防护时代。

未来发展趋势将聚焦于智能涂层开发，通过引入形状记忆合金元素或自修复纳米材料，实现涂层在腐蚀过程中的自适应结构优化。同时，基于数字孪生技术的在线监测系统将逐步取代传统离线检测，为实时性能评估提供可能。这些创新方向将推动航空发动机热防护涂层技术向更高可靠性、更长寿命和更低维护成本的方向发展。