报告内容

第一部分：研究作者、研究机构、发表时间和期刊

作者为Yongchun Zou、Jiacheng Wang、Liwei Zhang等，分别来自哈尔滨工业大学的分析与测量中心、先进陶瓷研究所，以及哈尔滨科学技术大学的建筑与土木工程学院。此篇研究发表在《Surface & Coatings Technology》期刊第476卷（2024年），并于2023年12月4日公开上线。

第二部分：研究背景

随着航空航天工业的快速发展，对高热通量条件下能够维持机械性能的材料需求日益增加。而TiAl（钛铝）合金因其低密度、高比模量以及较高强度等优良特性被认为是航空航天领域热防护材料的理想候选。然而，其高温烧蚀性能较差限制了其实际应用。
现有改善钛铝合金高温抗烧蚀性能的主流方法是通过改变合金的元素组成。然而，该方法通常以牺牲机械性能为代价。相比之下，表面涂层技术是一项更有效的方法，能够在高温条件下同时保持机械和烧蚀性能。
传统的表面改性技术（如离子注入、磁控溅射、热喷涂和渗粉法等）存在毒性风险、工艺复杂、设备要求高以及成本高昂等不足。而等离子体电解氧化（Plasma Electrolytic Oxidation, PEO）则被认为是一种绿色且有效的表面涂层制备方法，可以在合金基底表面原位生成陶瓷涂层。然而，PEO涂层普遍存在厚度较低、孔隙和裂纹等缺陷，以及缺乏消耗氧气的活性相等缺点，难以应对长时间高温烧蚀环境。
为了克服这些不足，该研究创新性地提出了一种新型单步液相等离子体辅助颗粒沉积与烧结（Liquid Plasma-Assisted Deposition and Sintering, LPDS）技术，通过该技术在钛铝合金表面制备了HfSi2-HfO2-SiO2纳米复合涂层，目标是提升其抗烧蚀性能。

第三部分：研究流程

1. 涂层制备

   • PEO涂层：使用直径为15毫米、厚度为1毫米的Ti46Al5Nb1.2Fe合金圆柱样品作为基底材料，通过线切割成型后，样品依次用不同粒度的SiC砂纸打磨并清洗。随后，将其放入含有硅酸钠(Na2SiO3)、偏磷酸钠(NaPO3)6和氢氧化钠(NaOH)的基础电解液中，以450V直流电压、600Hz频率及10分钟的加工时间施加电解氧化工艺。最终形成具有TiO2、Al2O3、SiO2晶相的PEO涂层，平均厚度为5μm。
   • HfSi2-HfO2-SiO2纳米复合涂层：在LPDS工艺中，实验条件包括高温电解液（60-90℃）、500V电压以及含有30g/L HfSi2颗粒（平均直径1μm）的电解液。同时通过机械搅拌（200r/min）使HfSi2颗粒均匀分散。此过程中部分HfSi2颗粒发生氧化转化为HfO2和SiO2，并与其他HfSi2颗粒一起通过烧结过程沉积形成厚度约为40μm的纳米复合涂层。

2. 烧蚀测试

   • 使用MAPP气体喷枪产生1500℃温度火焰，在距离喷枪喷口10毫米处对样本进行烧蚀测试，分别测试烧蚀90秒、180秒和360秒后的样本状态。

3. 表征与分析

   • 采用扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）、X射线衍射仪（XRD）、透射电子显微镜（TEM）以及能量色散光谱（EDS）对涂层的表面形貌、元素分布和晶相结构进行观察与分析。
   • 测量涂层厚度和粗糙度，评估其烧蚀前后纵向剖面的形貌变化。

第四部分：研究结果

1. PEO与LPDS涂层的显微结构
   SEM与XRD结果表明，PEO涂层表面呈现出典型的火山口状孔隙结构，主要晶相为TiO2、Al2O3和SiO2。相比之下，HfSi2-HfO2-SiO2纳米复合涂层由于HfSi2颗粒的沉积与烧结，表面形成了较为均匀的凸起结构，涂层厚度约为PEO涂层的8倍。此外，LPDS涂层表面富含Hf、Si和O元素，EDS结果显示部分HfSi2颗粒氧化生成HfO2和玻璃相SiO2，起到了填充裂纹和微孔的作用。

2. 烧蚀性能

   • PEO涂层在1500℃火焰烧蚀90秒后出现微小剥落（0.09%），180秒后剥落面积增至0.5%，而在360秒后涂层剥落面积达到了15.4%，表明其仅能提供短期高温保护。
   • 相比之下，HfSi2-HfO2-SiO2纳米复合涂层表现出显著的抗烧蚀性能，即使经过360秒烧蚀，无明显剥落。

3. 高温氧化抗性和氧气扩散屏障
   LPDS涂层在高温下生成的HfO2和玻璃相SiO2形成了致密的氧化层，起到了有效阻隔氧气扩散的作用。此外，HfSi2作为消耗氧气的活性相，在表面生成了HfO2和SiO2，提高了涂层的抗氧化能力。

第五部分：结论及研究意义

研究显示，通过LPDS制备的HfSi2-HfO2-SiO2纳米复合涂层具有极高的高温抗烧蚀性能和较长的氧气扩散路径，能够显著提升钛铝合金基底的热防护效果。相比传统的PEO涂层，LPDS涂层厚度更大、孔隙更少、裂纹更少，且在高温条件下形成了高稳定性的结构。此项研究为纳米复合陶瓷涂层的发展提供了新方法，并为航空航天等高温热防护领域的材料设计提供了科学依据。

第六部分：研究亮点

1. 提出了一种全新的一步法“液相等离子体辅助颗粒沉积与烧结（LPDS）”技术，有效克服了传统PEO涂层的局限性。
2. HfSi2颗粒作为氧气消耗相，在高温条件下生成HfO2和SiO2，显著提高了涂层的抗烧蚀性能。
3. 涂层厚度显著增加（约40μm），为缓解氧气扩散提供了物理屏障。
4. 纳米复合涂层在360秒的高温烧蚀测试中表现出无开裂或剥落现象，为实际工程应用提供了宝贵的数据支持。

第七部分：附加内容

本文的研究过程配备多种高精度测试仪器，如TEM、XRD和SEM等，以确保涂层表征的准确性。一体化的实验流程展示了如何通过参数优化来实现涂层性能的最大化。此外，实验条件和步骤的细致描述为后续研究工作提供了可高度复现的技术参考。