这篇文章是关于一项单独的原创研究，属于类型a的学术研究报告。以下是基于上述文本而撰写的综合学术报告：

高熵稀土钛酸盐热防护涂层的等离子喷涂制备及烧蚀行为研究报告

一、研究团队与发表信息

本文的研究由来自郑州大学材料科学与工程学院以及中原关键金属实验室的多位学者完成，主要作者包括 Saisai Zhu、Jinpeng Zhu、Songbo Ye、Yaning Zhang 等人。合作单位还包括北京金轮坤田特种机械有限公司。论文于 2024 年 1 月 12 日在线发表于国际期刊 *Surface & Coatings Technology*，文章编号为 478 (2024) 130414。

二、研究背景与目的

1. 科学领域与研究背景

研究所在科学领域为材料科学，尤其是高温热防护陶瓷涂层的开发与应用。随着航空发动机推重比的增加以及涡轮机进气温度的升高，金属基体材料在高温高压的极端环境下不可避免地暴露于热应力之中。目前常用的镍基高温合金因其温度上限受限，亟需开发能够兼具低热导率、优异热膨胀匹配性及良好相稳定性的新型热防护涂层材料。

迄今为止，传统的热防护涂层材料以钇稳定氧化锆（YSZ）为主。然而，当温度超过 1200°C，YSZ 会因相变问题导致表面剥落与失效。为解决这一问题，研究者尝试开发一系列新型材料，其中包括具有低热导率和优异热稳定性的 A2B2O7 类萤石结构和辉石结构的稀土陶瓷。

2. 高熵陶瓷的前沿探索

高熵陶瓷以其多成分、多元掺杂的特殊结构受到广泛关注。首个高熵陶瓷材料 (MgCoNiCuZn)O 于 2015 年被报道，引发了材料研究领域的高度关注。基于高熵策略设计的高熵稀土钛酸盐 (Y0.2Gd0.2Ho0.2Er0.2Yb0.2)2Ti2O7 展现出卓越的热稳定性、低热导率和优异的机械性能。

3. 研究目的

本研究首度通过大气等离子喷涂技术（APS）制备高熵稀土钛酸盐涂层，系统探究了不同喷涂参数对涂层显微结构、物相组成以及高温烧蚀行为和热防护性能的影响，旨在为高熵稀土材料在极端高温热防护领域的应用提供理论基础和技术支持。

三、研究方法与实验流程

1. 样品制备

（1）原材料：稀土氧化物（Y2O3、Gd2O3、Ho2O3、Er2O3 和 Yb2O3）和 TiO2 粉末，纯度均≥99%。
（2）高熵粉末合成：混料后通过固相烧结法在 1500°C 下烧结 6 小时。加入分散剂与聚乙烯醇（PVA）后，采用喷雾干燥技术制备球形粉末，并在 1100°C 下再次煅烧去除杂质。
（3）基材制备：将镍基超合金基体经砂处理和超声清洗以提高表面粗糙度。
（4）等离子喷涂：使用 APS 技术制备 NiCrCoAlY 粘结层及 YHT 陶瓷涂层。喷涂参数（如气体配比及喷涂功率）详见文表 1。

2. 烧蚀实验

借助等离子火焰流对涂层进行烧蚀测试。通过非接触式红外测温仪测量涂层表面及其背面温度，分别考察在表面温度为 900°C、1200°C 和 1400°C 的条件下的烧蚀行为。

3. 表征与分析

• 物相分析：采用 X 射线衍射仪（XRD）检测涂层的晶体结构。
• 显微结构：使用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）观察涂层表面及截面。
• 热防护性能测定：通过热电偶监测涂层背面温度。
• 其他：颗粒粒径分布由激光粒度仪分析，细观断裂结构通过原子力显微镜（AFM）进一步研究。

四、研究结果

1. 高熵粉末的热喷涂适应性

喷雾干燥制备的 YHT 粉末具备良好的流动性与集中分布的粒径特性，经热处理后保持单相萤石结构，无明显微观变形。

2. APS 喷涂涂层的显微结构

不同喷涂功率条件下得到的涂层表面粗糙度降低，孔隙明显减少。当功率为 40 kW 时，YHT 粒子熔融充分，形成致密度更高、结合力更好的涂层，其孔隙率从 12.57% 降至 4.93%。

3. 高温烧蚀行为

在 1200°C 的烧蚀条件下，涂层仅发生轻微烧结，表面生成微球形结构，热防护能力保持稳定。当温度升至 1400°C 时，受等离子火焰高温冲击，出现晶粒生长与水流纹样的熔融现象，同时伴随的机械应力集中导致基体崩塌与局部裂纹扩展。

4. 热防护性能

YHT 涂层的热隔离能力优于传统 YSZ 涂层。在烧蚀测试中，1200°C 和 1400°C 的表面对应背面温升分别为 590°C 和 620°C，展现出良好的热隔离效果。

五、研究结论及意义

1. 研究结论：本研究首次证明了采用 APS 技术制备高熵稀土钛酸盐涂层的可行性，揭示了涂层在高温烧蚀条件下的热稳定性及力学失效机制，拓展了高熵陶瓷材料在极端热防护领域的潜在应用。
2. 科学价值：YHT 涂层克服了传统涂层的高温失效问题，提供了一种新型热防护材料选择。
3. 应用意义：研究结果为未来航空发动机与高温设备中使用高熵涂层提供了理论依据，推动了高熵陶瓷材料的商业化可能性。

六、研究亮点

1. 首次实现高熵稀土钛酸盐涂层的大气等离子喷涂制备。
2. 涂层在高温下依然保持单相萤石结构的优异相稳定性。
3. 相较于传统 YSZ 涂层，YHT 涂层展现了更强的热防护性能。

七、其他补充内容

研究中开发的喷雾干燥及后续热处理工艺对粒度分布的提高及熔融行为的改善具有指导意义。此外，研究对高熵稀土材料制备、烧蚀机制分析及APS 喷涂工艺优化的综合应用提供了重要参考。