钼基体上Mo(Si, Al)2 分散GYYSZ多层复合涂层的微观结构与极端环境热循环行为研究

为解决钼合金在高温氧化环境中的防护难题，研究人员设计了一种由Mo(Si, Al)2 抗氧化涂层、过渡层和GYYSZ（Gd2 O3 -Yb2 O3 共掺杂YSZ）复合涂层组成的多层体系。通过大气等离子喷涂（APS）制备的含10 vol% Mo(Si, Al)2 的GM涂层在2700 K burner rig测试中展现出>5次热循环寿命，显著优于纯GYYSZ涂层（GZ）。研究发现，Mo(Si, Al)2 氧化生成的SiO2 /Al2 O3 玻璃相与ZrSiO4 可有效填充烧结层孔隙，抑制氧扩散，为航空发动机热端部件防护提供新思路。

　　

随着航空发动机推重比突破10、涡轮进口温度超过2000 K，热端部件材料面临前所未有的高温挑战。钼(Mo)合金虽具有优异的高温力学性能和热导率，却在400°C以上即发生灾难性氧化，生成的挥发性氧化物更限制了其在富氧环境的应用。传统MoSi₂
涂层虽能抵抗1700°C高温，但存在400-600°C的"瘟疫氧化"问题。铝掺杂形成的Mo(Si, Al)₂
通过生成致密Al₂
O₃
膜部分解决了这一难题，但单纯抗氧化涂层仍无法满足现代发动机的高表面温度（>2700 K）与剧烈温度梯度的双重考验。

针对这一瓶颈，中国科学院的研究团队创新性地将热障涂层(TBC)技术与抗氧化涂层结合，设计出三层复合体系：底层为Mo(Si, Al)₂
抗氧化层，中间为梯度过渡层（30-60 vol% GYYSZ），顶层为含10 vol% Mo(Si, Al)₂
的GYYSZ复合涂层（GM）。通过大气等离子喷涂技术在钼基体上制备后，采用自建burner rig设备模拟极端环境进行测试，每个热循环包含25秒2700 K高温暴露。

研究团队主要运用三大关键技术：1）梯度涂层设计缓解热失配应力；2）大气等离子喷涂(APS)实现多层结构精确控制；3）高精度温度梯度 burner rig 测试系统评估涂层性能。

设计理念与微观结构
涂层采用"三明治"结构（图1），通过过渡层的成分梯度设计（70→40 vol% Mo(Si, Al)₂
）协调顶层GYYSZ与底层间的热膨胀系数(CTE)差异。SEM显示（图4-5），喷涂态涂层包含熔融相、未熔颗粒和孔隙，其中Mo(Si, Al)₂
均匀分散于GYYSZ基体中。

热循环性能对比
在25秒/周期的测试中，纯GYYSZ涂层（GZ）仅1次循环即因横向裂纹(T-TCs)与垂直裂纹连通导致顶层剥落。而GM涂层经历5次循环后仍保持层间紧密结合，360秒长期测试后虽出现表面裂纹但无分层。微观分析揭示GM顶层形成多孔层、烧结层和非烧结层三重结构：多孔层由气相产物挥发和火焰侵蚀造成；烧结层中Mo(Si, Al)₂
氧化生成的SiO₂
/Al₂
O₃
玻璃相与ZrSiO₄
（源自SiO₂
+ZrO₂
反应）共同致密化孔隙，显著抑制氧渗透。

失效机制解析
长期测试后，GM烧结层内Mo(Si, Al)₂
持续氧化导致的横向裂纹成为寿命限制因素。但致密烧结层与高压水冷协同作用，有效保护了非烧结层及下层涂层。相比之下，GZ涂层因缺乏自修复相导致快速失效。

该研究证实，10 vol% Mo(Si, Al)₂
掺杂的GYYSZ复合涂层通过三重防护机制（热障+抗氧化+自修复）显著提升极端环境耐受性。其创新点在于：1）梯度过渡层设计缓解热应力；2）Mo(Si, Al)₂
氧化产物实现裂纹原位修复；3）烧结层致密化阻断氧扩散路径。这项工作为发展新一代航空发动机防护涂层提供了重要理论依据和技术支撑，相关成果发表于《Surface and Coatings Technology》。研究同时指出，未来需进一步优化Mo(Si, Al)₂
氧化动力学控制，以延长涂层在超高温下的服役寿命。