防CMAS渗入的细观增韧热障涂层的设计及其机理研究

Aero engines are the important symbol to measure a country's defense capability and technological level. Theraml barrier coatings are the hear of aero engines, which determine the operating parameter enhancement of aero engines. However, the harsh and complex work environment makes thermal barrier coatings prone to failure, thus influencing the normal operating of aero eninges. The peeling of coating surface can be observed due to the CMAS corrosion, and also the cracking between the lamella in top coating during the service of thermal barrier coatings. A sacrifice and resisting double-layer coating will be introduced to solve the CMAS corrosion problem in this project. The top cotaing will be toughneed through using the firstly proposed in-situ toughening mechanism. Cross-scale theory is used to study the anti-cracking behavior of the multiple-layer coatings. The results are important for the enriching of toughening mechods and enhancement of anti-corrosion properties of thermal barrier coatings, which can also ensure the safe service of thermal barrier coatings and even the aero engines.

航空发动机是衡量一个国家国防实力和科技水平的重要标志，而热障涂层是其心脏部位，决定了航空发动机的工作参数提升。但热障涂层苛刻且复杂的工作环境造成其极易发生失效，从而影响航空发动机的正常运行。针对热障涂层在服役过程中受CMAS腐蚀而造成的表层剥落及层间易开裂问题，本项目通过在热障涂层的表层引入抗CMAS腐蚀的牺牲阻挡双作用层解决腐蚀问题，并首次提出利用原位的细观增韧原理制备强韧表层来解决。同时，采用跨尺度理论对多层涂层的抗开裂机理进行研究，多渠道解决热障涂层表层的剥落问题。研究结果对于丰富涂层增韧途径、增强抗腐蚀性能，从而保障热障涂层乃至航空发动机的安全平稳运行具有重要的理论意义和工程应用价值。

针对航空发动机用热障涂层在服役过程中受到CMAS腐蚀而发生的表层剥落问题，本项目从抗CMAS腐蚀和提高涂层抗开裂能力等方面着手，多渠道解决热障涂层的寿命有限问题。针对涂层的抗CMAS腐蚀性能，本项目在氧化铝-氧化硅复合涂层、莫来石涂层的抗CMAS腐蚀性能基础上，通过理论计算和试验分析，确定了具有优异抗CMAS腐蚀性能、热导率更低且热膨胀系数更高的YbYSZ来提高涂层的抗CMAS腐蚀性能，从粉末、陶瓷块材、涂层等多角度验证了本研究提出的YbYSZ涂层在抗CMAS腐蚀性能方面的优异表现。YbYSZ涂层的CMAS腐蚀抗力（以腐蚀深度标称腐蚀抗力）为传统热障涂层材料YSZ的5倍左右，是下一代热障涂层表层材料的极有希望的候选材料。在热障涂层抗开裂角度，本项目在研究涂层层间微观结构对热障涂层长期使用过程中的开裂影响基础上，提出了双分布涂层结构，通过涂层微观孔隙分布调控，将热障涂层的热震寿命提高到传统结构涂层的5倍以上。因此基于本项目研究，在热障涂层的抗CMAS腐蚀性能和热震寿命角度，涂层综合性能提高到传统热障涂层5倍以上，这对提高热障涂层应用部件的寿命具有重要意义。同时相关研究思路可以用于解决航天用热障涂层、航天用高发低吸涂层等涂层寿命的提升中。.相关研究成果已应用到中航工业商用发动机有限公司的下一代航空发动机中（合同编号：HT-2L2X·1046-2020，经费210万元），用于大幅提高航空发动机相关部件的服役寿命。同时，材料体系、结构体系方面的研究应用在航天部件用热障涂层的设计中，提高涂层的高温服役寿命（军科委项目，经费270万元）。而且，材料体系的研究已获得上海市商用航空发动机领域联合创新行动计划的进一步支持（沪教委科[2021]38号，经费450万元），在航空发动机领域推广。.项目执行过程中，培养研究生5名，其中方焕杰、黄继波、叶东东等3人获得国家奖学金，叶东东在读期间更是获得2次国家奖学金。李元军获得校优秀毕业论文。