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原文出自Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊
Cite this article:
Chen L, Guo Y-X, Li C, et al. Exceptional thermal shock resistance of RSZ/YSZ coatings for rocket engines at 1800 °C. Journal of Advanced Ceramics, 2025, https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221228
文章DOI：10.26599/JAC.2025.9221228
ResearchGate：Exceptional thermal shock resistance of RSZ/YSZ coatings for rocket engines at 1800 °C
1、导读
为满足高推重比和可重复使用需求，重型火箭发动机需要能够长时间耐受1800°C的热障涂层。然而，现有纯YSZ涂层在≥1600℃工况下热冲击服役寿命不足1个循环周期，现有新型材料与YSZ组成的双陶瓷涂层热冲击寿命均不足15个循环周期。为此，本研究提出一种新型四元稀土稳定氧化锆材料(RSZ)并与YSZ构成双陶瓷涂层，在1600℃下服役寿命达到18个循环周期，1800℃下服役寿命突破15个循环周期，满足了多种极端条件下发动机应用需求。
图1. 文章摘要图
2、研究背景
为降低发射成本、提升发射效率，大推力与高可重复使用能力已成为液体火箭发动机发展的主要方向。大推力发动机成为提升运载能力、拓展人类航天活动边界、支撑深空探测与星际航行任务的关键基础。热障涂层是液体火箭发动机推力室及喷管的核心热防护技术。根据公开信息，SpaceX猎鹰运载火箭、星舰、龙飞船的推力室、助推器发动机大量采用热障涂层。然而，大推力与高可重复使用需求使得热障涂层面临更严苛的超高温(≥1600℃)与热冲击服役环境。
目前广泛使用的YSZ涂层在≤1400℃条件下具有良好的隔热性能与服役寿命。然而，在≥1600℃的超高温环境中，热冲击服役寿命不足一个循环周期。航空发动机、重型燃气轮机热障涂层的候选材料如LZO、GZO和GTO，与YSZ组成的双陶瓷涂层的热冲击寿命均不足15个循环周期。
本论文围绕航天发动机超高温长寿命服役需求，研发了四元掺杂氧化锆(RSZ)新材料，实现光-热-力性能协同优化(高反射率、低热导率、高热膨胀系数、高断裂韧性)。RSZ与YSZ构成的双陶瓷热障涂层，在1600℃典型工况下服役寿命达到18个循环周期。通过结构优化，1800℃典型工况下服役寿命突破15个循环周期，满足了多种极端条件下发动机应用需求。
3、文章亮点
(1) 研制了四元掺杂氧化锆(RSZ)材料并于YSZ构成双陶瓷热障涂层；
(2) 建立了适用于火箭发动机热障涂层的“兼容因子”寿命判据；
(3) 证实了RSZ/YSZ涂层在超高温下具有最优抗热冲击性能。
4、研究结果及结论
瞄准大型火箭发动机喷管热防护，图2对比了典型热障涂层1130℃水冷热震寿命。水冷热震寿命主要取决于陶瓷层断裂韧性、热膨胀系数失配以及氧扩散系数。与纯YSZ相比，RSZ/YSZ具有低的氧扩散系数。与LZO/YSZ、GZO/YSZ相比，RSZ/YSZ具有高的断裂韧性。与GTO/YSZ相比，RSZ/YSZ具有低的热膨胀系数失配。因此，RSZ/YSZ具有最优的1130℃水冷热震寿命。
图2. 典型热障涂层1130℃水冷热震寿命
图3对比了典型热障涂层1600℃热冲击寿命。热冲击寿命主要取决于陶瓷层热导率、断裂韧性、热膨胀系数失配以及反射率。因RSZ具有最优的热、力、光综合性能，RSZ/YSZ具有最佳的1600℃热冲击寿命。陶瓷层总厚度150μm、YSZ与RSZ厚度比3:2时，涂层热冲击寿命达到18次，呈现优异的热冲击性能。
图3. 典型热障涂层1600℃热冲击寿命
图4优化了RSZ/YSZ涂层1800℃热冲击寿命。陶瓷层总厚度350μm、YSZ与RSZ厚度比1:1时，涂层热冲击寿命达到最优(≥15次)。
图4. RSZ/YSZ热障涂层1800℃热冲击寿命
图5展示了RSZ/YSZ涂层1800℃热冲击失效截面形貌。当总厚度一定，厚度比过大或过小时，涂层均容易发生界面剥落。当厚度比为1:1时，涂层失效形式为RSZ的逐层剥落。剥落原因是RSZ发生烧结刚化，引发弹性模量和断裂能量释放率激增。与界面开裂相比，烧结刚化剥落是一个极其缓慢的过程，因而大幅延长热冲击寿命。
为深刻理解RSZ/YSZ性能优异的来源，建立了热冲击寿命评价的无量纲因子——兼容因子。针对火箭发动机热障涂层热冲击服役，寿命无量纲因子为：
(1)
图7展示了热障涂层陶瓷层材料兼容因子及其与热冲击寿命的关联。与YSZ、LZO、GZO、GTO相比，RSZ具有最优的兼容因子。这表明决定火箭发动机热障涂层寿命的核心因素为综合性能而非某一个单项性能。
图5. RSZ/YSZ热障涂层1800℃热冲击失效截面形貌
图7. 热障涂层陶瓷层材料兼容因子及其与热冲击寿命的关联
5、作者及研究团队简介
研究团队：西安交通大学材料学院热喷涂研究团队，主持承担国家重点研发计划、国家科技重大专项等项目百余项，牵头制定热障涂层服役与寿命评价国家标准1项。获国家自然二等奖1项、省部级一等奖2项。团队具备齐全的热喷涂层制备及和试验考核设备，包括真空等离子物理沉积(PS-PVD)、真空等离子喷涂(LPPS)、超音速火焰喷涂(HVOF)、大气等离子喷涂(APS)、大气冷喷涂、真空冷喷涂、热喷涂层专用真空热处理炉、梯度火焰冲刷试验机、高低温热震循环试验机、超高温热冲击试验台。
通讯作者：杨冠军，西安交通大学 教授/博导，国家级领军人才特聘教授，国家重点研发首席科学家。牵头制定热障涂层领域首项国家标准1项，兼任全国覆盖层标准化技术委员会副主任、中国硅酸盐学会测试技术分会副理事长、中国腐蚀与防护学会高温专委会副主任、材料权威期刊JMST和JAC学科编辑。成果用于航天发动机、先进重型燃气轮机、新型光伏等重要装备。
研究方向：高温防护涂层
作者邮箱：ygj@xjtu.edu.edu
第一作者：陈林，西安交通大学 副教授/博导，国家博士后创新人才计划入选者，金属材料强度全国重点实验室固定研究人员。研究方向为防护涂层结构设计与制造，主持承担国家自然科学基金项目、国家重点研发计划子课题、国防重大型号发动机核心部件涂层制造课题15项。兼任国际期刊Corrosion Communications青年编委，在Nature、Corrosion Science、Corrosion Communications、Journal of Advanced Ceramics等期刊发表第一/通讯作者SCI论文30余篇，参与编写英文专著1部，曾2次荣获Journal of Advanced Ceramics优秀论文奖。
研究方向：防护涂层结构设计与制造
作者ORCID：0000-0003-1840-3521
作者及研究团队在Journal of Advanced Ceramics上发表的相关代表作：
1) Wang W-J, Li C, Zhang H-X, et al. Small-angle Al2O3 grain boundaries achieve ultralow oxygen diffusion. Journal of Advanced Ceramics, 2025, 14(7): 9221109. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221109
2) Chen L, Li S-W, Li C-J, et al. Reactive self-consumption strategy to suppress SiO2 phase transition-induced cracking. Journal of Advanced Ceramics, 2025, 14(3): 9221042. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221042
3) Chen L, Luo J-C, Yang W-Q, et al. Durable dual-state duplex Si–HfO2 with excellent oxidation and cracking resistance. Journal of Advanced Ceramics, 2024, 13(3): 388-401. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220863
4) Dong L, Yang W-Q, Chen L, et al. Realizing the excellent oxidation resistance of an environmental barrier coating through aluminum surface modification. Journal of Advanced Ceramics, 2024, 13(7): 976-986. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220911
5) CHEN L, YANG G-J. Epitaxial growth and cracking of highly tough 7YSZ splats by thermal spray technology. Journal of Advanced Ceramics, 2018, 7(1): 17-29. https://www.sciopen.com/article/10.1007/s40145-017-0252-2
《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介
《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为中国科学院院士、清华大学林元华教授、郑州大学周延春教授和广东工业大学林华泰教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，2024年发文量为174篇；2025年6月发布的影响因子为16.6，连续5年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科33种同类期刊第1名；2024年11月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目；2025年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学1区Top期刊。2023年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台SciOpen独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。
期刊主页：https://www.sciopen.com/journal/2226-4108
投稿地址：https://mc03.manuscriptcentral.com/jacer
期刊ResearchGate主页：https://www.researchgate.net/journal/Journal-of-Advanced-Ceramics-2227-8508
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