铁弹性Nd3NbO7-NdNbO4复合涂层在先进热障涂层中的力学与热性能研究

为解决传统YSZ热障涂层(TBC)高温性能不足的问题，印度理工学院巴特那分校团队通过大气等离子喷涂(APS)技术开发了具有铁弹性行为的Nd3NbO7-NdNbO4复合涂层(NN374)。该涂层展现出0.46±0.08 W/m·K的超低热导率和优异的力学性能，其铁弹性域可诱导裂纹偏转与桥接，为开发新一代航空发动机TBC提供了可行方案。

　　

在航空发动机叶片等高温部件的防护领域，传统氧化钇稳定氧化锆(YSZ)热障涂层(Thermal Barrier Coatings, TBC)虽具有优异的断裂韧性(~2.4 MPa·m^0.5)，但其最高工作温度仅1200℃。随着航空技术的发展，开发兼具更低热导率(TC)和更高力学性能的新型TBC材料迫在眉睫。近年来，具有铁弹性(ferroelastic)行为的稀土铌酸盐(RENbO₄)因其高温增韧特性和低热导率备受关注，但单相材料的硬度不足限制了应用。印度理工学院巴特那分校的研究团队另辟蹊径，通过大气等离子喷涂(Atmospheric Plasma Spray, APS)技术意外获得Nd₃NbO₇-NdNbO₄复合涂层(NN374)，并系统研究了其性能优势。

研究采用APS技术分别喷涂化学计量比NdNbO₄(NN4)和含过量Nb₂O₅的改性粉末，意外形成NN374复合涂层。通过FE-SEM、XRD等手段表征微观结构，采用维氏压痕法测试力学性能，并利用激光闪光法测定热扩散系数。

微观结构特征
FE-SEM显示NN374涂层具有典型层状结构，含大量晶内纳米孔隙和微裂纹。XRD证实其由萤石结构Nd₃NbO₇和单斜NdNbO₄两相组成，这种多相结构为裂纹偏转创造了条件。

力学性能突破
NN374涂层的硬度达7.8±0.4 GPa，高于NN4涂层的6.2±0.3 GPa。更关键的是其断裂韧性(2.1±0.2 MPa·m^0.5)接近YSZ水平，这归因于铁弹性域切换(ferroelastic domain switching)诱导的裂纹桥接效应。压痕测试中观察到明显的裂纹偏转和过程区扩展现象。

热物理性能优势
NN374的热导率仅0.46±0.08 W/m·K，显著低于YSZ(1.5-2.0 W/m·K)。热膨胀系数(CTE)测试显示其存在二阶相变导致的线性体积变化，这种特性有利于缓解热应力。

这项发表于《Journal of Alloys and Compounds》的研究证实，NN374复合涂层通过铁弹性增韧机制和双相结构协同作用，实现了力学与热物理性能的平衡。其热导率比YSZ降低70%，同时保持相当的断裂韧性，为开发下一代航空发动机TBC提供了新思路。研究还揭示了APS工艺中化学计量比调控对形成复合涂层的关键作用，为后续材料设计指明了方向。