環境障涂層的案例
降低航空發動機環境障涂層孔隙率
航空發動機服役環境極為苛刻，包括高溫氧化、水氧腐蝕、粒子沖蝕等多重因素耦合作用。針對未來航空發動機陶瓷基復合材料熱端部件環境障涂層，其主要面臨環境腐蝕物侵蝕的挑戰。目前，環境障涂層通常采用大氣等離子噴涂、等離子噴涂-物理氣相沉積方法來制備，但鑒于其沉積機理，涂層中避免不了存在少量的開孔及裂紋，這就為環境中的腐蝕介質提供了滲透路徑，造成涂層失效。
來自廣東省科學院新材料研究所與西安交通大學的研究人員合作，提出了壓滲熔融鋁的方法來封堵涂層中的開孔及微裂紋，重點從熱力學角度分析了熔融鋁在孔隙中浸滲的困難性。結果表明，通過控制外壓可獲得良好的浸滲效果，這一研究結果有望為制備高致密環境障涂層提供新思路。相關論文以題為“Infiltrationthermodynamics in wrinkle-pores of thermal sprayed coatings”發表在Applied Surface Science (董琳為第一作者、劉梅軍和張小鋒為通訊作者)。
論文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169433220336060
圖 TBCs的截面組織
該研究首先基于真實涂層的復雜孔隙結構建立了開放孔隙幾何模型——“褶皺孔”，以及熔體浸滲的物理模型和數學模型。通過數學模型計算獲得了熔體能量隨浸滲深度的變化規律，發現在浸滲過程中熔體能量出現多個平衡態，只有克服平衡態之后的能壘，熔體才能繼續浸滲。進而通過計算驅動力、分力等，得知外壓降低能量、驅動浸滲，內壓升高能量、阻礙浸滲，而造成能壘的主要因素是彎曲液面附加壓即毛細力，如圖1所示。
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展開 這種新型航發熱障涂層材料最高使用溫度可達1800℃，全世界只有我國在做！
我們在這種材料中增加了Pt，或者是單獨增加了一個貴金屬粘結層，這樣就創造了更高溫度下的粘結層使用環境，這種材料目前已經開始應用。這項研究在高溫材料領域是非常重要的，也是粘結層材料在世界范圍內的一個新突破。
熱障涂層材料與3D 打印技術的相互結合，比如在制作粘結層合金過程中，3D 打印技術就非常適用，在今年啟動了云南省稀貴金屬材料基因工程，其中一項重要工作就是熱障涂層的粘結層部分由稀貴金屬材料來制作，主要的方式就是通過3D 打印/ 激光成形的方法在基體材料表面制備一層稀貴金屬材料，這樣就能實現耐高溫、抗氧化的性能。云南稀貴金屬材料基因工程的一大功能就是服務于我國航空航天領域，研發新型合金材料。
現在的合金成分越來越復雜，甚至有了8 元、10 元系的合金，人已經無法完成工作量如此巨大的試驗工作，但是通過材料基因工程，我們就會很容易發現和研制出新的粘結層合金材料，可以整體實現熱障涂層對于航空發動機技術進步的推動作用。
航空制造網：云南省稀貴金屬材料基因工程重大科技項目于2018 年3 月啟動，您擔任計算與數據庫首席科學家，工作的主要內容是什么？請談一下這個項目對于材料研究的重要意義？
馮晶：我主要負責的是稀貴金屬材料的計算以及數據庫的建設，我們主要針對的是航空發動機超高溫合金的探索和開發。通過材料基因工程的方法，我們可以探尋之前人類根本無法解決的8 元系、10 元系合金。通過高通量計算和機器學習，以及利用數據庫的“元素”，我相信在未來，第一可以得到稀貴金屬材料高溫粘結層合金，第二我們有可能會在超高溫合金領域取得更大的突破，這樣超高溫合金就有望實現在1500 ～2000℃高溫環境下的直接應用。
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