微纳尺度层/柱交叠结构的抗冲击高隔热陶瓷/金属梯度涂层组织调控与功能实现

For the new generation of high temperature protective coating on the key hot components in space heavy-lift rocket engine, the micro-nano scale layer/column overlap structure ceramic/alloy gradient coatings are prepared by the newly-developing plasma spray-physical vapor deposition (PS-PVD) preparation technology, based on the theory of coating formed by deposition and solidification in gas-liquid state, using the characteristics of gas-liquid-solid multi-phase nanocluster co-deposition and rapid non-equilibrium solidification, and by regulating the microstructure of the ceramic/alloy protective coating during solidification process of the coating. The formation theories and microstructure regulation methods of ceramic/metal composite gradient coating and micro-nano scale layer/column overlap structure are mastered by studying the interacting mechanism between ceramic/alloy and ion beam flux, the solidification rules and thermodynamic and kinetic rules in the multi-phase solidification process, and the microstructure formation rules and mechanisms during solidification. By further study of the thermal barrier and failure mechanisms of ceramic/metal composite coating, the matching problems between high thermal-barrier and high impact-resistance of ceramic/metal composite coating are resolved, and the microstructure regulating theories and scientific methods of the high thermal-barrier and high impact-resistance matched ceramic/metal composite coatings are established, which lay a theoretical foundation for applied research of protective coating on the key hot components in the new generation space heavy-lift rocket engine.

针对新一代航天大推力火箭发动机关键热端部件用高温防护涂层，采用新兴等离子物理气相沉积（PS-PVD）制备技术，基于粉状颗粒形成气-液两相以凝固-沉积方式形成薄膜/涂层的原理，利用气-液-固多相纳米团簇复合共沉积、快速非平衡凝固的特点，通过陶瓷/金属防护涂层凝固过程微观组织结构调控，设计制备出微纳米尺度层/柱交叠的陶瓷/金属坡度结构涂层。通过研究陶瓷/金属材料与等离子束流的相互作用机制、多相非平衡过程的热力学与动力学及凝固规律以及凝固过程中微观组织形成规律及机制，掌握陶瓷/金属复合涂层坡度结构形成及微纳米尺度层/柱交叠组织调控理论和方法。通过进一步研究陶瓷/金属复合涂层的隔热及失效破坏机理，解决陶瓷/金属复合涂层高隔热与抗冲击性能匹配的问题，建立高隔热与抗冲击性能匹配的陶瓷/金属复合涂层微观组织结构调控理论及科学方法。为新一代航天大推力火箭发动机关键热端部件的防护涂层应用研究奠定理论基础。

新一代航天大推力火箭发动机关键热端部件用高温防护涂层服役于超高温、大冲击、快速升温以及大温度梯度的极端环境下，对新型热防护涂层提出了强烈需求。本项目通过涂层材料设计，确定了低热导、高韧性、具有良好高温相稳定性及抗烧结性的稀土掺杂氧化铪材料体系；通过涂层结构设计，提出了层/柱交叠的高隔热、抗冲击的顶层双陶瓷层结构及热力性能匹配的β/γ’双相粘接层；采用新型等离子物理气相沉积（PS-PVD）技术，基于气液固多相共沉积原理，成功制备了层/柱交叠的热防护涂层体系；研究了热防护涂层体系在极端模拟环境下的服役性能，阐明了涂层的失效机理，为制备高隔热、抗冲击的火箭发动机热防护涂层体系提供物质基础。. 通过Y、Gd、Yb等稀土氧化物掺杂氧化铪陶瓷研究，明确了稀土氧化物对其组织结构、热物理性能的影响规律，显著降低高温热导率（1.6W/m*K），改善抗烧结性能；通过三明治结构，核壳结构，氧化铝晶须等氧化铪陶瓷增韧机理研究，显著改善断裂韧性。基于有限元模拟与试验技术相结合方法，提出层柱交叠的陶瓷层结构组织，进一步涂层的热导率降低至0.6W/m*K；高温抗氧化的β/γ’双相粘接层及双层陶瓷层的防护涂层体系设计，使防护涂层达到高隔热、抗冲击的目标。通过对PS-PVD工艺技术的研究，确定了多相混合沉积的最佳喷涂工艺，制备了羽毛状柱晶的氧化铪（YSH）组织及氧化铪氧化锆/镍铝(YSH+YSZ/NiAl)双陶瓷层结构新型热防护涂层，实现了微纳尺度层柱交叠结构陶瓷层高隔热、抗冲击的设计目标。通过超高温高速火焰冲击及高温水淬急冷循环模拟环境研究，新型热防护涂层1300℃具有优异的高温隔热能力及抗烧结性能；1100℃高温水淬急冷能够达到300次循环寿命-为传统涂层的三倍；1400℃高温高速燃气冲刷达200次循环寿命。. 通过本项目的研究，建立了超高温热防护材料及结构体系，实现高隔、热抗冲击的研究目标，为航天热防护涂层的应用及发展提供理论基础。