LaPO4 -YSZ复合热障涂层在1250°C-1350°C熔融CMAS腐蚀下的多层防护机制与温度依赖性研究

为解决航空发动机热障涂层（TBCs）在高温熔融钙镁铝硅酸盐（CMAS）腐蚀下的失效问题，研究人员通过等离子喷涂制备LaPO4 -YSZ复合涂层，系统探究其在1250°C-1350°C下的腐蚀行为。研究发现，1250°C时La-磷灰石（Ca2+x La8-x (SiO4 )6-x (PO4 )x O2 ）沿晶界析出形成致密反应层，显著延缓CMAS渗透；而1300°C以上因熔体黏度降低导致腐蚀深度骤增。该研究为优化TBCs抗CMAS腐蚀性能提供了温度敏感性的关键理论依据。

　　

航空发动机的“高温铠甲”如何抵御熔岩般的CMAS攻击？

在航空工业的“心脏”——发动机的热端部件上，热障涂层（Thermal Barrier Coatings, TBCs）如同高温环境下的防护铠甲，通过其优异的隔热性能将金属部件的工作温度降低100-300°C，成为提升发动机推力和效率的关键材料。然而，当飞机在沙尘环境或火山灰区域飞行时，空气中的钙镁铝硅酸盐（Calcium-Magnesium-Alumino-Silicate, CMAS）颗粒会像微型熔岩般黏附在涂层表面。一旦温度超过1200°C，这些CMAS熔体便会沿着涂层的孔隙和晶界疯狂渗透，不仅引发相变和应力腐蚀，更可能导致涂层的灾难性剥落。据统计，CMAS腐蚀造成的TBCs失效已占航空发动机高温部件故障的23%以上。

面对这一挑战，传统钇稳定氧化锆（Y₂
O₃
-stabilized ZrO₂
, YSZ）涂层虽具有优异的力学性能，但其晶界处的钇元素偏析会加速CMAS的腐蚀进程。近年来，稀土磷酸盐LaPO₄
因其与CMAS熔体快速反应生成致密阻挡层的特性备受关注，但其与YSZ复合涂层的温度依赖性腐蚀机制尚不明确。为此，湖南的研究团队在《Materials Today Communications》发表论文，首次揭示了LaPO₄
-YSZ复合涂层在1250°C-1350°C梯度温度下的腐蚀行为演化规律。

研究团队采用等离子喷涂技术制备含20 wt% LaPO₄
的YSZ复合涂层（LYZ20），通过X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）表征其微观结构，并设计1250°C、1300°C和1350°C三组CMAS腐蚀实验。利用电子探针微区分析（EPMA）和聚焦离子束（FIB）技术解析腐蚀界面成分分布，结合熔体黏度计算模型，构建了温度-腐蚀深度-反应产物的三维关系图谱。

温度驱动的腐蚀行为异质性
在1250°C腐蚀4小时后，涂层呈现典型的三层结构：表面残留CMAS层（50μm）、熔体渗透反应层（280μm）和未腐蚀基体层。高倍电镜显示，LaPO₄
与CMAS反应生成的La-磷灰石相（Ca_2+x

La_8-x

(SiO₄
)_6-x

(PO₄
)_x

O₂
）像“纳米路障”般封堵晶界，使反应层孔隙率降低至3.2%，腐蚀深度仅330μm。但当温度升至1300°C，CMAS黏度下降62%，熔体如“洪水”般冲破磷灰石阻挡，腐蚀深度飙升至650μm；1350°C时更达943μm，且表面无残留CMAS层，表明高温下反应动力学完全主导腐蚀进程。

晶界化学的“双刃剑”效应
研究首次发现LaPO₄
在YSZ晶界的独特行为：一方面，其与CMAS反应生成的磷灰石可延缓熔体渗透；另一方面，LaPO₄
/YSZ界面形成的弱结合相能诱导裂纹偏转，使涂层断裂韧性提升18%。这种“自修复”与“增韧”的协同效应，使得1250°C下LYZ20涂层的CMAS渗透速率比纯YSZ降低74%。

结论与展望
该研究证实LaPO₄
-YSZ复合涂层的抗CMAS性能存在临界温度阈值（约1280°C）。低于此温度时，磷灰石封堵效应主导；超过阈值则熔体黏度控制腐蚀进程。这一发现为航空发动机TBCs的梯度温度设计提供了精确的理论依据——在发动机不同温区可差异化调控LaPO₄
含量：高压涡轮叶片（1300°C以上）需采用低LaPO₄
配方避免过度反应，而燃烧室（1200-1250°C）则可利用高LaPO₄
含量实现长效防护。论文通讯作者Ruiqi Zhong指出，未来可通过LaPO₄
晶界定向排布设计，进一步突破高温下的腐蚀屏障极限。