针对高熵陶瓷热防护涂层性能研究的学术报告

研究背景与发表信息

本文是发表在 Journal of Advanced Ceramics （2022年第11卷第10期）的科研论文，属于原创研究文章类型，文章题目为“Air plasma-sprayed high-entropy (Y0.2Yb0.2Lu0.2Eu0.2Er0.2)3Al5O12 coating with high thermal protection performance”，研究的核心内容是关于高熵稀土铝酸盐涂层的制备及其热防护性能评估。主要作者包括Kailun Wang, Jinpeng Zhu, Hailong Wang等，分别隶属于郑州大学材料科学与工程学院、北京理工大学材料研究所、中国航天材料与工艺研究所等机构。本研究收到2022年4月22日，修改于7月1日，并于7月2日接受发表。

学术背景

高温热防护涂层（Thermal Protection Coating, TPC）被广泛应用于航空航天领域和高温设备，作为表面隔热的一种关键技术。高性能的TPC需具备良好的高温稳定性、低热导率以及与基底材料匹配的热膨胀系数。

近年来，单组分稀土铝酸盐，如Y3Al5O12（YAG）和Yb3Al5O12（YbAG），因其高熔点和较好的热膨胀性能而被视为潜在的涂层材料。但其相对较高的热导率限制了这类材料的应用。因此，研究人员提出利用“高熵工程”（Entropy Engineering）来设计多组分稀土铝酸盐，通过引入多个主元素以改善材料性能，如降低热导率并增强热防护特性。

高熵稀土铝酸盐(Y0.2Yb0.2Lu0.2Eu0.2Er0.2)3Al5O12（简称HE-RE3Al5O12）是一种新型高熵陶瓷，其相较于YSZ等传统涂层材料在热导率和热稳定性上表现出潜在优势。然而，此类涂层此前没有被制备并且其性能也未被实验验证。本研究的目标便是首次通过大气等离子喷涂技术（Atmospheric Plasma Spraying, APS）制备高熵HE-RE3Al5O12涂层，并对其热防护性能进行评估。

研究流程

材料与粉末制备

研究选用Y2O3、Yb2O3、Lu2O3、Eu2O3、Er2O3和Al2O3等高纯（99.99%或99.9%）粉末为原料。首先按照HE-RE3Al5O12的化学计量比称量，并利用无水乙醇作为溶剂和氧化锆球介质，在尼龙研磨罐中研磨6小时。随后将混合粉末在1660℃下煅烧10小时以合成单相的HE-RE3Al5O12陶瓷粉末。煅烧后，粉末被过筛至300目以提高均匀性。

为改善粉末的可喷涂性，作者通过喷雾干燥技术对原始陶瓷粉末进行了球化处理，喷雾干燥后的粉末被再一次煅烧，从而增强了颗粒的强度与流动性。此外，镍基合金（NiCrCoAlY）粉末被用作涂层的粘结层。

涂层制备

研究使用大气等离子喷涂（APS）设备，将制备好的粉末喷涂到镍基高温合金Inconel 718基底上。通过调整喷涂距离和参数获得不同结构的涂层，并选用显微组织和表征结果最佳的涂层（HE-RE3Al5O12-3）进行深入分析。

性能表征

1. 晶体结构与相组成：利用XRD（X射线衍射）表征涂层的晶体结构和相稳定性，通过里特维尔德精修进一步确认材料晶格参数与均匀性。

2. 微观组织：通过SEM（扫描电子显微镜）分析涂层的横截面和断口形貌，计算孔隙率并通过EDS（能谱分析）验证成分均匀性。

3. 热冲击性能：在1200℃和1400℃下进行热冲击测试，使用氧乙炔火焰装置对涂层瞬时加热，并计算涂层表面与背面温差，研究热冲击后的表面微裂纹和界面结合情况。

研究结果

粉末特性

XRD分析显示经过1660℃高温煅烧后，Y、Yb、Lu、Eu和Er稀土氧化物形成单一相的立方型石榴石结构（garnet structure）。通过TEM（透射电子显微镜）观察发现，微观上颗粒呈均匀分布，无明显的成分偏析或杂质相，证实了这是一个高熵固溶体。

喷雾球化后的颗粒形貌呈规则的球状，粒径分布窄（d50约为40 µm），粉末流动性从原始材料的“不流动”改善到70 s/50 g，BET比表面积从2.32 m²/g略降至2.17 m²/g，显示出良好的喷涂适应性。

涂层性能

1. 涂层显微组织：不同喷涂距离调控下的涂层表现出明显差异，较短距离时涂层部分颗粒尚未完全熔化，表面粗糙；而较长喷涂距离（HE-RE3Al5O12-3）涂层更致密平整，孔隙率约为6.8%，展示了良好的结合性和均匀性。

2. 热冲击性能：在1200℃下经历50次热冲击循环后，涂层表面未出现明显裂纹或剥落，而在1400℃条件下10次循环后，涂层边缘出现裂纹并逐渐扩展至表面。测试表明HE-RE3Al5O12涂层具有优良的热稳定性和热冲击性能，其间温度梯度可达750℃。

3. 涂层失效机制：热冲击导致涂层与粘结层（NiCrCoAlY）之间的界面处于初始微裂纹状态；循环增加后裂纹扩展并贯穿涂层，最终导致剥落。热失效主要由热膨胀失配应力引发，但高熵材料的“缓慢扩散效应”（sluggish diffusion effect）显著减缓了裂纹扩展，延长了涂层使用寿命。

研究结论及意义

1. 本研究首次通过APS技术成功制备了高熵稀土铝酸盐HE-RE3Al5O12涂层，验证了其作为高温热防护涂层的潜力。

2. 材料的“鸡尾酒效应”（cocktail effect）显著增强其热防护性能，具有优良的热稳定性和抗裂纹扩展能力。

3. 实验提出了高熵涂层的失效机制模型，为后续开发新型高熵陶瓷热防护涂层及其喷涂工艺提供了参考。

研究亮点

1. 创新性：本文为首篇关于HE-RE3Al5O12涂层实验制备与性能评估的研究。

2. 实际应用价值：高熵稀土陶瓷为热防护涂层提供了新的设计思路，可在航空航天及工业高温设备中广泛应用。

3. 方法的通用性：研究中关于喷雾球化及APS技术的参数优化方法，具有推广和借鉴意义。

其他信息

本文还对高熵陶瓷的发展趋势及其在热防护领域的前景作出了一定程度的探索，并得到了包括国家自然科学基金（NSFC）等资助支持，进一步说明了本研究的科学价值与社会意义。