科学网—西安电子科技大学罗俊辉/徐光楠/曹可/杨丽等：致密共晶核壳结构Zr-Ta-O/YSZ双层涂层解决涂层抗CMAS腐蚀难题-清华大学出版社学术期刊的博文

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2026-5-8 11:39

| 个人分类: JAC | 系统分类: 论文交流

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

Cite this article:

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 Zr 6 Ta 2 O 17 、 ZrO 2 和 Ta 2 O 5 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 ZrO 2 ）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 Al 2 O 3 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 La 2 Zr 2 O 7 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 Zr 6 Ta 2 O 17 ）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-ZrO 2 核心被 o-Ta 2 O 5 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 La 2 Zr 2 O 7 /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 ZrSiO 4 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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主题：抗CMAS腐蚀|Densecore–shelleutecticZr–Ta–OassacrificiallayerofYSZtopcoatforenhancedCMASresistanceviadynamicsealingandself-removal