原文出自Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

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Luo J-H, Yan G, Xu G-N, et al. Dense core–shell eutectic Zr–Ta–O as sacrificial layer of YSZ topcoat for enhanced CMAS resistance via dynamic sealing and self-removal. Journal of Advanced Ceramics, 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221300

文章DOI：10.26599/JAC.2026.9221300

ResearchGate：Dense core–shell eutectic Zr–Ta–O as sacrificial layer of YSZ topcoat for enhanced CMAS resistance via dynamic sealing and self-removal

基金支持：

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：92371204，12202330，12502208，U2341257），国家科技重大专项（J2022-V-0003-0029）以及中央高校基本科研业务费和西安电子科技大学创新基金项目（YJSJ25017）支持。

一、导读

极端服役条件下，延缓航空发动机涡轮叶片热障涂层CMAS腐蚀进程，保持涂层结构与功能完整性仍是亟待解决的关键问题。本研究基于功能性分层设计，通过APS在传统YSZ涂层表面设计一层具有致密共晶核壳结构的Zr-Ta-O（由Zr₆Ta₂O₁₇、ZrO₂和Ta₂O₅组成）顶层，表现出优异的强塑性协同（屈服强度达4.5 GPa，工程应变高于30%）。1250℃下能够有效延缓CMAS腐蚀介质的初期渗透，且致密反应产物及热冲击累积的面内压应力诱导的腐蚀反应层剥落，防止进一步腐蚀渗透，起到涂层动态自密封和自牺牲剥落的效果，克服传统YSZ热障涂层高温限制和较差的抗CMAS腐蚀特性。

二、研究背景

现代航空发动机设计正朝着高推重比、高燃油效率和高机动性方向快速发展，这直接导致涡轮前进口温度持续攀升，现已超过1800°C。这一极端温度环境远超先进镍基高温合金的承受极限（约1150°C），使得热障涂层（TBCs）成为保障发动机热端部件（如涡轮叶片、燃烧室）安全运行的关键技术。热障涂层通过在高温合金表面形成隔热陶瓷层，可使部件表面温度降低100-300°C，显著延长部件使用寿命并提升发动机整体性能。然而，随着发动机工作环境日益严酷，传统热障涂层面临前所未有的挑战，其中钙-镁-铝-硅酸盐（CMAS）腐蚀已成为制约下一代航空发动机可靠性的瓶颈问题。

CMAS主要来源于大气中的沙尘、火山灰及跑道碎片，在发动机瞬态工况下（如起飞、降落）被吸入高温区（>1200°C）后熔融形成玻璃态熔体。这种熔融CMAS对热障涂层的破坏具有双重协同机制：

1.热机械破坏机制：熔融CMAS通过毛细作用迅速渗入涂层孔隙和微裂纹，冷却过程中因热膨胀系数（CTE）不匹配产生巨大应力（YSZ的CTE约11×10^-6/°C，CMAS约8.1×10^-6/°C），导致涂层开裂剥落。

2.热化学腐蚀机制：熔融CMAS与涂层发生剧烈化学反应，尤其对传统8YSZ（8wt%氧化钇稳定氧化锆）涂层，会选择性溶解其中的稳定剂钇（Y），触发四方相到单斜相（t→m）的相变。这一相变伴随3-5%的体积膨胀，在涂层内部产生应力集中，最终引发灾难性分层剥落。

当前针对CMAS腐蚀的防护策略主要包括四类：

1.成分改性策略：例如通过掺杂稀土元素（如YO_1.5/TaO_2.5共掺杂ZrO₂）形成致密反应层（如磷灰石）。但毛细驱动的CMAS渗透速度远快于反应层形成速度，导致"先渗透后阻挡"的失效模式。

2.表面工程策略：例如采用激光织构化或Al₂O₃覆盖层降低润湿性。但表面层与基体CTE不匹配导致界面应力集中，应变容限差，易在热循环中分层；激光处理还会引入新的微裂纹。

3.替代材料策略：例如开发稀土锆酸盐、稀土钽酸盐等新型材料。但这些材料普遍存在断裂韧性不足（如La₂Zr₂O₇的K_IC约1.5 MPa·m^1/2，远低于YSZ的2.7 MPa·m^1/2），长期服役可靠性差。

4.功能分层设计：例如采用多层或梯度结构。但界面结合强度不足，层间应力控制困难，且缺乏主动清除腐蚀产物的机制。

现有策略均属于"被动防御"，无法从根本上解决CMAS渗透与腐蚀产物累积问题，亟需开发具有"主动防御"功能的新型热障涂层系统。在此背景下，开发兼具优异机械性能和主动CMAS抵抗能力的热障涂层系统具有重大战略意义。

高熵氧化物陶瓷材料（如Zr₆Ta₂O₁₇）展现出优异的高温稳定性（至2250°C）、高断裂韧性（3.8 MPa·m^1/2）和低热导率（1.0 W·m^-1·K^-1），但其在热障涂层中的应用机制尚未系统研究，亟需深入探索。本文创新性地提出将Zr-Ta-O共晶材料作为牺牲层与YSZ底层结合，利用共晶结构的独特优势（核壳结构、高致密性、优异塑性）实现"动态密封"和"自去除"双重功能，为解决CMAS腐蚀难题提供了全新思路。这一研究不仅具有重大工程应用价值，也将推动高温防护材料科学的发展，对提升我国航空发动机技术水平具有战略意义。

三、文章亮点

本文提出了一种具有创新性的双层热障涂层系统，通过核壳结构设计实现了卓越的CMAS腐蚀抵抗能力，具有以下突出亮点：

技术创新亮点

1.首创共晶核壳结构牺牲层设计：开发了一种Zr-Ta-O(ZTO)/YSZ双层热障涂层系统，其中顶层为具有核壳结构的共晶Zr-Ta-O材料，底层为传统YSZ。这种设计在热障涂层领域首次实现了牺牲保护机制，通过"密封-消耗-自剥落"三重机制协同抵抗CMAS腐蚀。

2.卓越的机械性能：共晶Zr-Ta-O顶层展现出优异的机械性能，压缩应变超过30%，屈服强度高达4.5 GPa。这种优异性能源于其独特的核壳纳米结构——t-ZrO₂核心被o-Ta₂O₅壳层包裹，两者间形成共格界面，显著提高了材料的变形能力和强度。

3.动态密封与自去除双重机制：创新性地实现了两种CMAS抵抗机制的协同作用：(a)动态自密封：共晶凝固诱导的致密化(孔隙率仅2.0%)有效阻止CMAS初始渗透。(b)自牺牲剥落：反应层相变和热膨胀不匹配产生的应变触发腐蚀产物剥落，自动移除受损区域，保护底层YSZ

4.先进制备工艺：通过大气等离子喷涂(APS)技术成功制备了这种复杂结构，实现了Ta2O5/ZrO2核壳结构的可控形成，为大规模工业应用提供了可行性。

实际应用价值

1.显著提升航空发动机部件寿命：该涂层系统在1250°C高温下表现出卓越的CMAS抵抗能力，与传统YSZ单层涂层和EB-PVD La₂Zr₂O₇/YSZ双层涂层相比，显著延长了热端部件在恶劣环境下的使用寿命，解决了现代航空发动机中CMAS腐蚀导致的涂层过早失效问题。

2.降低维护成本提高安全性：通过牺牲层的自我去除机制，能够在不增加系统复杂度的情况下，自动隔离和清除CMAS腐蚀区域，避免了灾难性涂层剥落导致的发动机部件损坏，降低了维护成本并提高了运行安全性。

3.为下一代热障涂层设计提供新范式：本研究不仅解决了现有YSZ涂层的CMAS腐蚀问题，还通过结构设计实现了双重功能：ZTO顶层的固有自密封和自我去除牺牲。这一设计理念为开发更先进的热障涂层系统提供了新思路，可扩展到其他高温防护领域。

4.推动高温材料科学发展：通过原位纳米力学测试、透射电子显微镜和有限元模拟等多尺度研究方法，深入揭示了共晶核壳结构的强韧化机制和CMAS腐蚀行为，为高温结构材料的设计提供了重要的理论基础和实验依据。

这项研究通过材料创新和结构设计的完美结合，成功解决了热障涂层领域长期存在的CMAS腐蚀难题，为航空发动机等高温部件的可靠运行提供了有力保障，具有重大的科学意义和应用价值。

四、研究结果及结论

为解决传统氧化钇稳定氧化锆（YSZ）的耐腐蚀性不足以及新型 TBC 材料断裂韧性较低的问题，本研究通过双层涂层功能化设计，结合 Zr-Ta-O 共晶微结构优异的力学性能、高抗 CMAS 腐蚀特性，以及 8YSZ 的低热导率、高热膨胀系数和卓越抗热震性能，开发了一种新型双层热障涂层（TBC）系统，该涂层以三元共晶 Zr-Ta-O 核壳结构为表层，8YSZ 为底层，通过大气等离子喷涂（APS）制备，有望解决热障涂层抗 CMAS 腐蚀的关键难题。本文核心创新点如下：

1、创新涂层设计：通过大气等离子喷涂（APS）制备出具有致密共晶 Zr-Ta-O表层（核壳纳米结构，孔隙率 2.0%）与多孔 8YSZ 底层（孔隙率 15.4%）的双层TBC，实现了抗 CMAS 腐蚀与隔热性能的协同优化。

2、突破性牺牲机制：首次在陶瓷体系中证实动态密封与自剥落行为。致密的ZTO层通过共晶凝固实现致密化，腐蚀初期致密表层有效阻隔CMAS渗透，反应形成的致密 ZrSiO₄结晶进一步迟滞CMAS流动；冷却过程反应层由于热失配导致的面内压应力触发腐蚀产物“自牺牲”剥离，有效阻隔 CMAS 向多孔 YSZ 层渗透，从而保护底层YSZ。有限元模拟定量揭示了界面应力场分布，阐明了CMAS驱动的裂纹在顶层中的扩展机制。

3、卓越力学性能：共晶微观结构赋予ZTO顶层超常的塑性变形能力，Zr-Ta-O核壳共晶结构展现出优异的强韧性能，原位TEM压缩测试显示超 30% 压缩塑性及 4.5 GPa 屈服强度，显著优于传统YSZ，保障涂层在极端热循环下的服役稳定性。

这种以共晶结构为核心的设计范式，为开发抗CMAS腐蚀的新型TBC架构提供了新思路。

图1 CMAS腐蚀前后双层涂层截面形貌。（a-g）原始涂层微结构特征及（h-l）1250℃腐蚀不同时间后的涂层截面特征。

图2 （a-b）共晶核壳Zr-Ta-O涂层和（c-d）块体YSZ原位微柱压缩性能对比。（e-f）相应的力-位移和工程应力-应变曲线。

图3 （a-f）共晶核壳Zr-Ta-O原子尺度微结构TEM表征和（g-i）EDS能谱。

图4 EBSD-TKD揭示Zr-Ta-O层腐蚀物相演化：（a-c）原始涂层表面晶粒、物相及其取向分布；（d-f）1250℃经8 h CMAS腐蚀后，附着的CMAS介质内部的晶粒、物相及其取向分布；（g-i）1250℃经8 h CMAS腐蚀后反应析出相内部的晶粒、物相及其取向分布。

五、作者及研究团队简介

杨丽（通讯作者），西安电子科技大学教授、博士生导师。国家级领军人才、国家级青年人才、中国青年科技奖特别奖获得者、全国徐芝纶力学优秀教师，华山学者领军教授。主要从事航空航天高温/超高温涂层及功能器件的设计、性能调控与服役失效机理研究，主持国家自然科学重大项目课题、重大研究计划重点，民用航天、技术基础、基础科研、中国航发集团和中国航天集团委托项目等科研课题的研究。现任西安电子科技大学先进材料与纳米科技学院执行院长，兼任中国力学学会物理力学专业委员副主任委员、中国稀土学会热防涂层专业委员会副主任委员、中国材料研究学会青年工作委员会副主任委员等职务。累计发表论文150余篇。

作者邮箱：lyang-xd@xidian.edu.cn

《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、苏州国家实验室周延春教授、广东工业大学林华泰教授和哈尔滨工业大学张幸红教授。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，2025年发文量为202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34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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