等離子噴涂-物理氣相沉積（PS-PVD）是目前最有前景的第三代熱障涂層噴涂技術，利用該技術可制備羽毛柱狀結構的熱障涂層。PS-PVD制備的羽柱狀結構熱障涂層具有優異的應變容限、低熱導率、高熱循環性能及高結合強度等優點，已引起世界各國的廣泛關注。然而，CMAS（CaO–MgO–Al₂O₃–SiO₂其主要來源是大氣粉塵、沙塵、高空火山灰、發動機啟停階段從地面吸入的粉塵）腐蝕是熱障涂層面臨的一個巨大挑戰，特別是PS-PVD制備的羽毛柱狀結構的熱障涂層，CMAS被吸入航空發動機后，在高溫下迅速融化，熔融的CMAS沉積在涂層表面，通過柱狀晶間隙快速滲透進涂層內部，造成應變容限失效；同時，熔融CMAS與7YSZ的反應導致Y₂O₃穩定劑析出，致使Y₂O₃穩定劑從四方亞穩T′相轉變為單斜m相；在熱機械和熱化學綜合作用下導致涂層剝落失效。因此，如何抵抗CMAS腐蝕是羽毛柱狀結構熱障涂層面臨巨大挑戰，研究和解決羽毛柱狀結構熱障涂層的抗CMAS腐蝕性能具有重要意義。

在本項工作中，研究人員利用機械與化學相結合的方法制備了具有超疏水結構的熱障涂層表面，通過超快激光表面織構化結合鍍鋁表面改性技術提高了涂層抗CMAS潤濕和鋪展性能。相關成果在線發表在《npj materials degradation》期刊，通訊作者為西安交通大學凡正杰副教授和廣東省科學院新材料研究所張小鋒教授級高工。

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https://doi.org/10.1038/s41529-024-00505-2

該研究的靈感源于荷葉的超疏水自清潔的特性，如圖1所示為PS-PVD熱障涂層表面超疏水特性的設計及構筑。研究表明，利用飛秒激光高峰值功率特性，結合激光加工參數設計可在熱障涂層表面實現材料的非熱熔性去除，使涂層具有超疏水特性，然后利用磁控濺射和真空熱處理可在織構化的涂層表面進行鍍鋁改性構筑擴散障，可有效阻擋CMAS的滲透，實驗結果表明該方法是一種切實可行的工藝策略。如圖2所示，飛秒激光織構化結合鍍鋁改性技術，在熱障涂層表面構筑了類荷葉乳頭結構。圖3顯示，通過磁控濺射可在織構化涂層表面沉積一層均勻的鋁膜，鋁膜在真空熱處理后與熱障涂層發生原位反應形成保護層。

圖1 PS-PVD熱障涂層仿生超疏水表面設計及構筑過程。

圖2 PS-PVD 熱障涂層表面高、低倍率掃描電鏡圖。（a-d）噴涂態涂層。（e-h）激光織構涂層。（i-l）激光織構后鍍鋁改性涂層。

圖3 （a-b）鋁膜在激光織構涂層表面沉SEM橫截面電鏡圖，（e-h）相應元素分布圖。（c-d）激光織構涂層鍍鋁后真空熱處理，（i-l）相應元素分布圖。

在常溫（圖4）和高溫（圖5）環境下，對涂層的親疏水特性進行對比研究，結果表明，PS-PVD制備的涂層具有親水特性接觸角只有12.3°，熔融CMAS極易通過柱狀晶間隙滲透到涂層內部，進而造成涂層提前失效（如圖6所示）；而激光織構化涂層，在常溫下具有良好的超疏水特性，接觸角達到161.7°，但在高溫環境，超疏水特性可減緩熔融CMAS的鋪展，卻不能阻止CMAS的滲透（如圖7a-b）；激光織構后鍍鋁改性涂層，在常溫（高達168.8°）及高溫（~99°）下均具有最大的接觸角，鍍鋁改性后涂層表面形成擴散障，可有效減緩熔融CMAS的滲透，如圖7（i-l）。

圖4 涂層表面親疏水特性。（a-c）噴涂態涂層親水特性。（d-f）激光織構涂層超疏水特性。（g-i）激光織構后鍍鋁改性涂層超疏水特性。

圖5 在1230℃ CMAS顆粒在涂層表面高溫潤濕鋪展行為。

圖6 噴涂態涂層CMAS腐蝕后的截面電鏡圖像及相應的元素分布圖

圖7 激光織構涂層和激光織構后鍍鋁改性涂層CMAS腐蝕后的截面電鏡圖像及相應的元素分布圖

圖8對激光織構后鍍鋁改性涂層的抗CMAS腐蝕機制進行總結，原理在于：(1)飛秒激光織化的超疏水結構抑制了熔融CMAS的擴散；(2)鍍鋁改性形成的擴散障層減緩了熔融CMAS向PS-PVD 熱障涂層柱狀晶間隙的擴散。上述工作不僅證明了飛秒激光在熱障涂層表面織構化應用潛力，而且為提升PS-PVD制備羽毛柱狀結構熱障涂層的工程化應用提供了新思路。

圖8 熔融CMAS在PS-PVD 熱障涂層表面的潤濕擴散模型示意圖。