基于溶液前驱体等离子喷涂的双稀土共掺杂ZrO2热障涂层相稳定性优化研究

为解决航空发动机热障涂层(TBCs)在1473 K以上高温环境中的相失稳问题，研究人员通过溶液前驱体等离子喷涂(SPPS)技术优化了8YSZ及Yb/Y-Gd共掺杂ZrO2涂层。采用田口实验法确定最佳参数（2.35 mol/L前驱体浓度、12 slpm氢气流速），获得孔隙率23%的YYSZ涂层，其在1400°C下200小时单斜相含量仅35%，热导率低至1.38-1.61 W·m?1·K?1，较传统8YSZ降低60%，为新一代燃气轮机超高温防护提供突破性解决方案。

　　

航空发动机的推力重量比提升依赖于高温合金部件的极限工作能力，而热障涂层(TBCs)正是守护这些部件的"隔热盾牌"。传统8wt%氧化钇稳定氧化锆(8YSZ)涂层在1473 K以上会遭遇致命弱点——从亚稳态四方相(t′)向单斜相(m)转变，伴随3.5%体积膨胀和加速烧结，导致热循环寿命从200小时锐减至不足50小时。更棘手的是，替代材料如La₂Zr₂O₇热膨胀系数不足，SrZrO₃则在1123 K就会分解。内蒙古工业大学的研究团队在《Surface and Coatings Technology》发表研究，通过溶液前驱体等离子喷涂(SPPS)技术结合双稀土共掺杂策略，成功突破这一高温瓶颈。

研究采用田口实验设计优化SPPS工艺参数，通过热重-差示扫描量热法(TG-DSC)分析前驱体特性，利用X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)表征涂层微观结构，并采用激光闪光法测试热导率。

SPPS优化
通过调控前驱体浓度(2.35 mol/L)与氢气流速(12 slpm)，获得具有23%孔隙率的垂直裂纹结构，这种"鱼骨状"微观结构能有效散射声子，使Yb-Y共掺杂(YYSZ)涂层热导率降至1.38-1.61 W·m^?1·K^?1。

相稳定性突破
在1400°C老化200小时后，YYSZ单斜相含量(35%)显著低于Yb-Gd共掺杂体系(42%)，其热膨胀拐点温度达580°C，归因于Yb³⁺与Y³⁺的离子半径协同效应抑制了氧空位迁移。

热物理性能优势
YYSZ的垂直裂纹密度(~15条/mm)使应变容限提升8倍，其独特的层间边界(IPB)结构通过纳米界面散射将热导率进一步降低至0.63 W·m^?1·K^?1，远超传统大气等离子喷涂(APS)涂层。

该研究开创性地将SPPS工艺与双稀土掺杂策略结合，YYSZ涂层在相稳定性和热绝缘性能上的双重突破，为开发工作温度超过1600 K的下一代航空发动机TBCs提供了明确的技术路线。特别是其580°C热膨胀拐点温度的设计，完美匹配镍基高温合金的服役工况，有望将高压涡轮叶片寿命提升300%以上。这项由Ziran Han和Wen Ma团队完成的研究，标志着我国在超高温防护材料领域取得重要进展。