揭秘新型中熵 Hf-Ta 陶瓷热障涂层表面 CMAS 腐蚀机制：开启高性能防护新篇章

为解决热障涂层（TBCs）受 CMAS 腐蚀影响性能的问题，研究人员对中熵陶瓷 (Y0.3Gd0.3Yb0.4)7(Hf0.5Ta0.5)6O24开展 CMAS 腐蚀行为研究，发现其抗腐蚀性能优异，为开发新型 TBCs 材料提供思路。

　　

在航空航天领域，航空发动机就像是飞机的 “心脏”，其性能的优劣直接决定了飞机的飞行能力。而热障涂层（Thermal Barrier Coatings，TBCs）则是保护这颗 “心脏” 中关键部件 —— 航空发动机叶片的重要 “铠甲”。它不仅要具备出色的热物理性能、机械性能，还要在高温环境下保持稳定，抵御高温腐蚀。

然而，现实情况却不容乐观。随着全球环境问题日益严峻，飞机在飞行过程中，发动机很容易吸入沙粒、灰尘、跑道碎片以及火山灰等颗粒物质。当这些颗粒在高温下融化后，会形成一种主要由 CaO、MgO、AlO_1.5和 SiO₂组成的熔体，也就是我们常说的 CMAS。CMAS 就像一群 “破坏分子”，它们会顺着涂层的裂缝和孔隙，借助毛细管作用，一路 “杀” 进涂层内部，与涂层发生腐蚀反应。这不仅会消耗涂层材料，破坏涂层结构，还会导致涂层提前失效，严重影响航空发动机的性能和使用寿命。

目前，应用最广泛的 TBCs 材料是 6 - 8 wt% Y₂O₃稳定的 ZrO₂（YSZ）。但随着航空发动机性能要求的不断提高，YSZ 的弊端逐渐显现出来。一方面，在高温服役环境下，YSZ 会发生严重的相变，无法满足下一代航空发动机的使用需求；另一方面，YSZ 对 CMAS 腐蚀的抵抗能力较差，在腐蚀过程中，其中的稳定剂 Y₂O₃会被消耗，破坏涂层结构。而且，冷却时填充在空隙和裂缝中的固化 CMAS 玻璃会降低涂层的应变容限，最终因固化 CMAS 玻璃与 TBCs 基体之间的热膨胀失配导致应力集中，使涂层过早开裂。因此，开发具有优异抗高温腐蚀性能的新型 TBCs 材料迫在眉睫。

为了解决这一难题，国内的研究人员开展了一项极具创新性的研究。他们将目光聚焦于熵稳定陶瓷，通过结合等摩尔的 Hf 和 Ta，并基于 Yb³⁺，选择镧系元素中间较小的 Y³⁺和 Gd³⁺进行掺杂，设计并合成了一种中熵陶瓷 (Y_0.3Gd_0.3Yb_0.4)₇(Hf_0.5Ta_0.5)₆O₂₄（YGYbHT）。此前的研究表明，YGYbHT 具有良好的热物理和机械性能，具备成为下一代 TBCs 材料的潜力，但其抗 CMAS 腐蚀性能尚未得到研究。在本次研究中，研究人员通过超快高温烧结（UHS）制备了 YGYbHT，并系统地探究了其在 1300℃至 1500℃温度范围内与 CMAS 的腐蚀行为和界面腐蚀机制。该研究成果发表在《Applied Surface Science》上，为新型 TBCs 材料的开发提供了重要的理论依据和实践指导。

研究人员在开展这项研究时，运用了多种关键技术方法。首先，采用超快高温烧结（UHS）技术制备中熵陶瓷 YGYbHT 块体，保证了材料的微观结构和性能。其次，利用多种表征手段对制备的 YGYbHT 进行分析，包括观察其微观结构、元素分布，以及通过 X 射线衍射（XRD）分析其物相组成，以此来研究 YGYbHT 在 CMAS 腐蚀前后的变化情况 。

中熵陶瓷块体的制备

研究人员选用高纯度的 Y₂O₃、Gd₂O₃、Yb₂O₃、HfO₂和 Ta₂O₅（99.99%，北京华瑞科化工有限公司）作为原材料。先将这五种粉末在 800℃下干燥 4 小时，去除结晶水，减少称量误差。然后按照 (Y_0.3Gd_0.3Yb_0.4)₇(Hf_0.5Ta_0.5)₆O₂₄的化学分子式确定的摩尔比进行称量，再通过球磨使其均匀混合。

对 UHS 制备的中熵陶瓷 YGYbHT 的表征

通过观察发现，YGYbHT 块体具有致密的微观结构，晶粒细小，平均晶粒尺寸为 0.90μm，晶界清晰，且未发现第二相或杂质析出。同时，其元素分布均匀，表明化学组成均匀。

讨论

研究发现，中熵陶瓷 YGYbHT 在整个腐蚀过程中表现出优异的抗 CMAS 腐蚀性能。在 1300℃时，CMAS 粉末融化并在 YGYbHT 基体表面铺展。在腐蚀过程中，只有 Ca₂Ta₂O₇和磷灰石相 Ca₂RE₈(SiO₄)₆O₂这两种反应产物生成。由于较大的离子半径差异导致更严重的晶格畸变，抑制了物质的扩散和传输，这种缓慢的扩散削弱了 CMAS 腐蚀反应，从而提高了材料的耐腐蚀性。此外，Ta - O 键的优先断裂导致生成了具有较低生成焓的 Ca₂Ta₂O₇。与稀土铪酸盐相比，Ta 的掺杂延缓了磷灰石相的生成，增强了与 CMAS 熔体的腐蚀反应惰性。

结论

研究人员系统地研究了中熵陶瓷 YGYbHT 的高温 CMAS 腐蚀行为和机制。YGYbHT 因其独特的耐腐蚀机制，表现出优异的抗 CMAS 腐蚀性能。在腐蚀过程中，CMAS 熔体主要通过晶界腐蚀 YGYbHT，晶界处大量的缺陷为物质的扩散和转移提供了通道。同时，较大的离子半径差异引起的晶格畸变抑制了物质扩散，Ta - O 键的优先断裂和 Ta 的掺杂分别影响了反应产物的生成和腐蚀反应的惰性。

这项研究意义重大，它揭示了中熵陶瓷 YGYbHT 在 CMAS 腐蚀下的独特行为和机制，为开发新型抗腐蚀 TBCs 材料提供了新的思路和理论基础。未来，有望基于此研究成果，进一步优化材料设计，制备出性能更优异的热障涂层材料，满足航空航天等领域对高性能材料的需求，推动相关行业的发展。