《Surface and Coatings Technology》：Enhanced ultra-high-temperature thermal shock performance of CSSZ-HRI-YSZ thick TBCs through multilayer interface design
编辑推荐：
•通过大气等离子喷涂（APS）制备了具有混合增强与应力缓释界面的CSSZ-HRI-YSZ涂层体系。•混合增强界面（HRI）层有助于热机械应力的适应与调节。•CSSZ中应力相关的相变有助于提升热震损伤容限。•在极高温燃烧器实验中，名义光学高温计测量温度为1750 °C的条件下，
- •
通过大气等离子喷涂（APS）制备了具有混合增强与应力缓释界面的CSSZ-HRI-YSZ涂层体系。
- •
混合增强界面（HRI）层有助于热机械应力的适应与调节。
- •
CSSZ中应力相关的相变有助于提升热震损伤容限。
- •
在极高温燃烧器实验中，名义光学高温计测量温度为1750 °C的条件下，涂层成功承受了355次热震循环。
引言
热障涂层（TBCs）是航空发动机和工业燃气轮机高温部件不可或缺的防护系统。其性能直接决定了可达到的燃气进口温度（TET），而TET是决定发动机推重比、热效率和服务寿命的关键因素[1]、[2]、[3]、[4]。然而，对更高TET的持续追求使这些高温部件面临日益严苛的热、机械和氧化环境。这一趋势对热障涂层的隔热性能、相稳定性和热震抗力提出了更为严格的要求[5]、[6]。
在现有热障涂层材料中，亚稳四方相氧化钇稳定氧化锆（t'-YSZ）凭借其良好的热物理和力学性能平衡，仍然是工业应用的标准材料。然而，长期暴露于约1200 °C以上的高温环境会导致不可逆的四方相向单斜相转变，并伴随明显的烧结和致密化。这些微观结构变化会引发布体膨胀、弹性模量增加、裂纹扩展加速，最终导致涂层剥落，使得传统YSZ越来越不适用于下一代超高温应用[6]、[7]、[8]、[9]。因此，开发具有更优相稳定性、热机械兼容性和长期耐久性的替代面层材料，已成为先进热障涂层面临的关键挑战。
氧化铈稳定超弹性氧化锆（CSSZ）因其卓越的相稳定性、良好的热物理兼容性和独特的超弹性增韧机制，近年来作为超高温热障涂层的候选材料受到了广泛关注[10]、[11]、[12]、[13]。先前的研究表明，部分以Ce??取代Zr??可引入晶格畸变，显著提高四方相的热力学稳定性。因此，CSSZ从室温到1600 °C均可保持稳定的四方相结构，未检测到可观察到的单斜相析出[14]。此外，CSSZ的热膨胀系数（CTE）约为13×10?? K?1，明显更接近镍基高温合金（约17×10?? K?1）的热膨胀系数，相较于传统YSZ而言，能够有效降低陶瓷/金属界面处的热失配应力[15]、[16]。
更为重要的是，CSSZ在热加载和机械加载过程中会发生应力相关的可逆马氏体相变（t ? m）。其对应的超弹性行为可通过相变迟滞耗散近80%的施加应变能，同时提供约7%的可恢复相变应变。这一独特的变形机制能够同时提高断裂韧性、热震抗力和抗蠕变性能，使CSSZ成为延长热障涂层工作温度上限极具吸引力的材料[10]、[17]、[18]。
我们此前的工作表明，700 μm厚的APS制备的CSSZ/YSZ双层涂层在1750 °C下经受23次热震循环后未出现宏观剥落，而相同厚度的单层YSZ涂层仅在一次循环后即失效[15]。这些结果明确证实了CSSZ面层赋予的优异热震抗力。然而，详细的失效后微观结构观察表明，热震过程中裂纹仍然优先沿CSSZ/YSZ界面萌生并扩展，最终导致局部界面失稳。这种行为源于双层界面处热膨胀系数和弹性模量的突变，产生了严重的局部应力集中。因此，异质陶瓷界面仍然是限制基于CSSZ的双层涂层热震寿命进一步提升的主要因素[15]。 Consequently，仅依靠CSSZ面层本身的固有性能无法进一步延长涂层寿命。相反，对陶瓷界面处应力传递的有效调控已成为先进CSSZ基热障涂层体系设计中的关键问题。
为应对这一挑战，本研究设计了一种混合增强界面（HRI），即在CSSZ面层与YSZ中间层之间插入一层CSSZ-YSZ混合层。与尖锐的CSSZ/YSZ界面不同，混合HRI在两种陶瓷组分之间提供了一个有限的过渡区域，从而可以减小界面处热机械性能的突变。这一结构设计有望促进应力重新分布，缓解热震过程中的局部应力集中。此外，在陶瓷层与结合涂层之间引入了YSZ-NiCrAlY应力缓释界面（SRI），以减轻陶瓷/金属界面的热失配并改善涂层体系的热机械兼容性[19]。
本文在名义温度为1750 °C的极高温燃烧器实验条件下，系统研究了CSSZ-HRI-YSZ涂层的微观结构、相组成、热物性性能和热震性能。研究特别关注混合HRI层对CSSZ/YSZ界面热机械应力适应的贡献，并阐明了与HRI及CSSZ面层相关的损伤容限机制。HRI的讨论围绕其混合层结构以及促进应力重新分布的潜在作用展开，而CSSZ的贡献则通过其相稳定性、抗断裂性能和应力相关的马氏体相变进行评估。本研究为超高温热震应用中的多层热障涂层结构设计提供了重要参考。
章节摘要
涂层制备
陶瓷层所采用的喷涂粉末为市售的4 mol% Y?O?稳定ZrO?（YSZ）粉末和名义18 mol% CeO?稳定ZrO?（CSSZ）粉末。其名义成分、颗粒形貌和粒径分布汇总于表1中。CSSZ粉末的代表性形貌和粒径特征亦已在我们的先前研究中报道[15]、[20]。涂层体系沉积于GH5188镍基高温合金基体上（表）
喷涂涂层的微观结构与晶体结构
图2和图3展示了喷涂态YSZ涂层和CSSZ-HRI-YSZ涂层的横截面微观结构。YSZ涂层呈现典型的三层结构，包括YSZ面层（约950 μm）、YSZ-NiCrAlY应力缓释界面（约250 μm）和NiCrAlY结合涂层（约150 μm）。涂层总厚度约为1350 μm。YSZ面层呈现出完全熔化的层状微观结构，未观察到明显的未熔化颗粒或贯穿厚度方向的裂纹。ImageJ分析得出的孔隙率为
结论
通过大气等离子喷涂成功设计并制备了CSSZ-HRI-YSZ涂层体系，并对其微观结构、相稳定性、导热系数和热震性能进行了系统研究。主要结论如下：
- 1)
喷涂态CSSZ-HRI-YSZ涂层呈现清晰的五层结构，各层界面致密且结合良好。XRD分析表明，涂层在沉积后保持了稳定的四方相（t相）。
CRediT作者贡献声明
李易睿：写作—审阅与编辑，调查研究。罗松霖：调查研究。王长良：研究方法。李璋：数据整理。黄彦霖：形式分析。王鑫：写作—审阅与编辑，调查研究。蒋阔：指导监督，概念构思。
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
致谢
作者衷心感谢中国科学院金属研究所鲍泽斌教授在热震试验中提供的支持。同时感谢夏晓龙在测试过程中的协助以及建设性的讨论。
李易睿|罗松霖|王长良|李璋|黄彦霖|王鑫|蒋阔
