Ta-W合金表面(TaC-HfC)/(MoSi2-SiC-Al2O3-HfC)复合涂层的1500℃氧化行为与梯度热应力调控机制

为解决Ta-W合金高温氧化失效问题，研究人员通过浆料烧结与包埋法制备了TaC-HfC内层与MoSi2-Al2O3-SiC-HfC外层的复合涂层。该涂层通过梯度热膨胀系数(CTE)设计形成致密结构（总厚度300μm），在1500℃下表现出玻璃相密封、HfO2枝晶阻氧等多重防护机制，显著提升合金的抗氧化性能，为航空航天热端部件材料开发提供新思路。

　　

在航空航天领域，Ta-W合金因其高达3080℃的熔点成为理想的热端部件材料，但500℃即发生的"瘟疫氧化"现象导致材料粉化，严重制约其应用。传统硅化物涂层（如MoSi₂）虽能生成自修复SiO₂玻璃相，但与基体间8.0×10^-6/K和6.5×10^-6/K的热膨胀系数差异引发涂层开裂。更棘手的是，元素互扩散会形成脆性相，加速涂层失效。

南昌大学的研究团队创新性地采用浆料烧结结合包埋法，在Ta-2.5W合金表面构建了双层防护体系：内层为CTE匹配的TaC-HfC（6.5×10^-6/K），外层为多相复合的MoSi₂-Al₂O₃-SiC-HfC（简称MASH）。通过XRD、SEM-EDS等表征手段，发现烧结过程中形成的Si-Ta化合物过渡层能有效抑制元素互扩散，而外层多孔结构有利于气体逸出和快速自修复。

关键技术包括：1）1700℃高温固态烧结制备致密TaC-HfC内层；2）卤化物活化包埋法形成MASH外层；3）通过梯度CTE设计（内层6.5×10^-6/K→外层8.0×10^-6/K）分散热应力；4）1500℃氧化实验评估性能。

【Microstructure of the inner layer】

SEM显示TaC-HfC内层致密无裂纹，XRD证实其NaCl晶体结构。这种由Ta-5d与C-2p轨道杂化形成的强共价键结构，赋予涂层优异的高温强度。

【Oxidation behavior】

1500℃氧化时，外层形成含HfSiO₄/HfO₂/SiO₂的Si-Al-O玻璃相，其中HfO₂枝晶与玻璃相形成互锁结构，机械稳定性提升3倍。内层TaC-HfC的CTE梯度设计使热应力降低40%。

【Conclusion】

该研究实现了三大突破：1）通过TaC-HfC/MASH双层设计平衡抗氧化性与自修复功能；2）Si-Ta过渡层抑制脆性相形成；3）HfO₂枝晶-玻璃相协同阻氧机制将防护温度提升至1500℃。这项工作发表于《Surface and Coatings Technology》，为超高温防护涂层设计提供了新范式，尤其适用于高马赫数飞行器的热端部件。