TiAl单晶用TiAlCrY/稀土铝酸盐陶瓷热障涂层的抗热震性能研究及其航空应用价值

为解决TiAl单晶在高温(>1000°C)下的氧化失效问题，研究人员通过大气等离子喷涂(APS)技术，在TiAlCrY粘结层上制备了LaMgAl11O19(LaMA)和Y3Al5O12(YAG)陶瓷热障涂层(TBC)。研究发现LaMA涂层展现出150次热震循环寿命，是YAG体系的3倍，其优异性能源于更低氧空位浓度、更好的热膨胀系数(CTE)匹配性及弹性模量调控，为航空发动机TiAl部件防护提供了新方案。

　　

随着航空发动机推重比需求的不断提升，涡轮前温度已突破1600°C，传统镍基高温合金面临密度大、冷却效率低的瓶颈。TiAl单晶因其密度低(仅为镍基合金的50%)、高温蠕变性能优异，成为新一代轻量化叶片材料的有力竞争者。然而当温度超过1000°C时，TiAl合金表面会形成非保护性的TiO₂/Al₂O₃混合氧化层，导致灾难性氧化失效。虽然通过提高铝含量(60-70at.%)可促进保护性Al₂O₃膜形成，但会严重损害力学性能。中国科学院上海硅酸盐研究所的研究团队创新性地采用稀土铝酸盐陶瓷热障涂层技术，在《Surface and Coatings Technology》发表的研究成果为这一难题提供了突破性解决方案。

研究团队采用真空等离子喷涂(VPS)沉积TiAlCrY粘结层，结合大气等离子喷涂(APS)制备LaMA和YAG陶瓷层。通过固态反应合成粉体，系统表征了涂层的热物理性能，并在1100°C下进行热震测试。关键技术包括：1) 固相烧结结合喷雾造粒制备可喷涂粉体；2) 等离子喷涂工艺参数优化；3) 热膨胀系数(CTE)匹配性设计；4) 氧渗透率测试；5) 热震循环实验(水淬法)。

材料设计与涂层制备
通过精确控制TiAl单晶基体(Ti-35-45at.%Al-5-15at.%Nb)表面粗糙度(Ra≈0.5μm)，采用VPS技术沉积TiAlCrY粘结层，其氧化速率常数(1.02×10^?13 g²cm^?4s^?1)与镍基合金MCrAlY相当。APS制备的LaMA/YAG顶层厚度达2mm，孔隙率控制在8-12%。

粉末合成与表征
差热分析(DTA)显示LaMA在1060°C出现放热峰，虽低于标准形成温度(1100-1200°C)，但通过调节加热速率和粉末粒度仍获得纯相。YAG粉体在800°C即开始形成，最终产物经XRD验证为单一Y₃Al₅O₁₂相。

非晶相结晶与热膨胀行为
LaMA涂层在加热过程中呈现独特的"双阶段"膨胀曲线：300-800°C因非晶相结晶产生收缩(-0.15%)，800-1200°C正常膨胀(CTE=9.2×10^?6/K)。相比之下，YAG涂层CTE(7.8×10^?6/K)与基体(12×10^?6/K)失配更严重。

氧阻隔性能
LaMA和YAG的氧扩散系数比传统YSZ(10^?10-10^?11 m²/s)低2-15个数量级，其中YAG最低可达10^?25 m²/s。这种特性源于稀土铝酸盐的密排六方结构能有效阻碍氧离子迁移。

热震性能
LaMA/TiAlCrY体系实现150次热震循环(1100°C?室温水淬)，是YAG体系(50次)的3倍，且与镍基合金YSZ/MCrAlY相当。失效分析表明：LaMA通过较低的弹性模量(120GPa vs YAG的280GPa)有效缓解热应力，而YAG因高模量导致裂纹直接贯穿陶瓷层。

该研究证实LaMA基热障涂层体系具有三大创新优势：1) 氧阻隔性能比YSZ提升10¹²倍；2) 通过CTE梯度设计实现与TiAl基体的力学兼容；3) 热震寿命达航空应用门槛值。这些发现不仅为TiAl部件在航空发动机热端应用扫清了技术障碍，更开创了稀土铝酸盐陶瓷在超高温防护领域的新应用范式。特别值得注意的是，LaMA涂层的性能已接近镍基合金TBC水平，但系统重量可减轻40%，对实现下一代航空发动机的轻量化设计具有战略意义。