兰州理工腐蚀顶刊：激光诱导构建柱状/致密结构显著提升热障涂层抗CMAS腐蚀性能|gd|兰州理工|改性|涂层|腐蚀性|陶瓷

导读：热障涂层技术是“两机”（航空发动机和燃气轮机）领域的三大核心技术之一。在热端合金部件表面涂敷高熔点、低热导率、耐腐蚀的热障涂层，可有效降低合金表面温度80 °C～150 °C。传统大气等离子喷涂制备的热障涂层（TBCs）陶瓷层为层状多孔结构，具备优异的隔热性能。然而，随着新一代发动机服役环境的扩展，火山灰、沙尘等环境杂质在高温部件表面沉积，并在高温下熔融形成CMAS（CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂）熔盐，沿陶瓷层孔隙渗透，导致涂层结构损伤和性能退化，难以满足更广泛的服役需求。

针对这一问题，研究团队创新地采用纳秒脉冲激光对等离子喷涂制备的Gd₂Zr₂O₇（GZO）陶瓷涂层进行表面重构，在涂层表面成功构建出“微柱状+致密层”双重防护结构，并揭示了激光诱导等离子体作用下陶瓷气-固相不同取向转变的机制。实验结果表明，该结构使CMAS渗透深度较传统等离子喷涂涂层降低了约三分之二，显著提升了涂层的抗腐蚀性能。该研究为非真空条件下低成本制备微观柱状陶瓷结构提供了新思路。

相关成果以“Formation mechanisms of columnar/dense structure for Gd2Zr2O7 ceramics coatings with superior CMAS corrosion resistance”为题发表于腐蚀领域顶级期刊《Corrosion Science》（中科院1区，IF=8.5）。兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室为论文第一完成单位，硕士研究生郑光彬为主要完成人，李文生教授为通讯作者。

本研究由兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室联合布朗大学、兰州资源环境职业技术大学共同完成，并获得国家自然科学基金（52462010）、甘肃省杰出青年基金（25JRRA055）、甘肃省重大项目（23ZDGA010, 24ZD13GA018）及国家“111”计划等项目资助。兰州理工大学林巧力教授在润湿性能测试分析方面提供了重要支持。

论文链接

https://doi.org/10.1016/j.corsci.2025.113348

Bo Cheng, Guangbin Zheng, Dong Hou , Chengyun Ding, Qianqian Chu, Li Feng, Guosheng An, Xinjian Zhang, Lan Sun, Haoteng Sun, Wensheng Li, Formation mechanisms of columnar/dense structure for Gd2Zr2O7ceramics coatings with superior CMAS corrosion resistance, Corrosion Science, 2025, 257, 113348

图1 激光改性设备与工艺示意图

图2 激光功率对GZO涂层表面枝晶生长的影响（相场模拟）

图3 激光重熔GZO涂层在重叠率为（a）96.00%、（b）92.00%、（c）88.00%和（d）60.00%的表面形貌

图4 激光改性后涂层表面形貌与3D轮廓：（a-c）原始APS涂层；（d-f）8 W激光改性；（g-i）14 W激光改性

图5 涂层截面SEM图像：（a-b）原始APS；（c-d）8 W致密结构；（e-f）14 W柱状/致密复合结构

图6 喷涂态涂层（PS）、激光改性致密结构（LRDS）及激光改性柱状结构（LRCS）的典型纳米压痕载荷-位移曲线；(b) PS、LRDS、LRCS 的硬度；(c) PS、LRDS、LRCS 的弹性模量；(d) 不同激光功率处理涂层的表面粗糙度参数（Sa、Sq、Sz）；(e) PS、LRDS、LRCS 的 XRD 图谱