NiCrAlY预氧化处理对LaMgAl11O19热障涂层中热生长氧化物形成机制的调控作用及性能提升研究

本研究针对传统YSZ热障涂层高温性能不足的问题，通过NiCrAlY粘结层预氧化处理，在LaMgAl11O19基涂层体系中构建连续Al2O3保护层，发现独特的TGO混合形成机制，使热循环寿命从58次提升至109次以上，为新型热障涂层设计提供重要理论依据。

　　

在燃气轮机高温部件保护领域，传统氧化钇稳定氧化锆(YSZ)热障涂层(Thermal Barrier Coatings, TBC)长期面临导热系数高、氧渗透性强等瓶颈问题。随着涡轮进口温度不断提升，开发新型耐高温涂层材料成为迫切需求。其中，具有磁铅石结构的六铝酸盐材料LaMgAl₁₁O₁₉(LaMA)因其独特的片层结构和低热导率备受关注，但其与基体的热膨胀系数失配问题导致涂层易剥落。

针对这一挑战，伊朗材料与能源研究中心(Materials and Energy Research Center, MERC)的Mohammad Mehdi Khorramirad团队创新性地提出对NiCrAlY粘结层进行预氧化处理，系统研究了INC-738/预氧化NiCrAlY/LaMA(IPNL)涂层体系中热生长氧化物(Thermally Grown Oxide, TGO)的形成机制。研究发现，预氧化形成的连续α-Al₂O₃层不仅作为氧扩散屏障，更通过独特的"动态迁移效应"使混合氧化物重新分布，最终使涂层热循环寿命实现从58次到109次以上的突破性提升。该成果发表于《Thin Solid Films》，为新型热障涂层设计提供了重要理论指导。

研究采用等离子喷涂(APS)技术制备涂层，通过控制预氧化参数在NiCrAlY表面构建α-Al₂O₃层，结合XRD、SEM和EDS分析手段系统表征了涂层微观结构演变。热循环实验在1100℃条件下进行，采用截面显微分析定量评估TGO生长动力学。

【结果与讨论】

1. 表面形貌分析显示预氧化处理显著减少LaMA涂层的非熔融颗粒，表面裂纹密度低于传统YSZ涂层。
2. TGO形成机制研究发现，预氧化层促使Al₂O₃以等轴晶形式生长，抑制了θ→α相变过程中体积变化导致的应力集中。
3. 独特的"氧化物动态迁移"现象首次被发现：热循环过程中，初始在Al₂O₃层上方形成的混合氧化物会迁移至其下方，这种自修复机制大幅延缓了界面失效。
4. 热循环性能测试表明，IPNL体系的TGO生长速率仅为非预氧化体系的1/3，且α-Al₂O₃与LaMA的晶体结构兼容性有效抑制了界面裂纹扩展。

【结论】该研究揭示了预氧化处理通过三重作用机制提升涂层性能：①构建连续α-Al₂O₃氧扩散屏障；②优化TGO生长动力学；③诱导氧化物动态迁移形成自修复界面。这些发现不仅突破了传统认知中混合氧化物必然导致失效的定论，更建立了TGO厚度与失效行为的非线性关系模型，为下一代热障涂层的界面工程设计提供了全新思路。特别值得注意的是，LaMA与Al₂O₃在晶体结构和热膨胀系数上的高度匹配性，使得该体系在1300℃以上超高温环境展现出显著优势，这对发展先进航空发动机涂层技术具有重要指导价值。