研究人员开发出用于航空航天领域的高熵陶瓷涂层

慧正资讯：俄罗斯托木斯克理工大学（Tomsk Polytechnic University，简称TPU）的科学家们发现了如何改进新型高熵陶瓷涂层的性能，使其能够在超高温和强腐蚀性环境中使用。TPU的研究人员成功提高了碳化物材料在1100°C下的抗氧化性能。未来，此类涂层可用于航空和航天设备元件。

超高温环境下的挑战

TPU的科学家们正在致力于开发全新的多层涂层，以大幅扩展其工作温度范围。此前，已合成了基于铪、锆、铈和钇氧化物的涂层，并采用磁控溅射法进行涂覆。目前，研究已进入下一阶段，即合成和研究基于碳化物的高熵材料的性能。

基于碳化铪和碳化锆的陶瓷是一类独特的材料，它们兼具极佳的热机械性能和化学稳定性，因此在超高温和强腐蚀性环境中不可或缺。

然而，这类材料在高于500°C的温度下易发生灾难性氧化，导致材料逐渐退化、保护层开裂和剥落，这仍是其广泛应用的主要限制因素。解决这一问题的一种策略是合金化，旨在形成致密且往往具有自修复能力的氧化膜。然而，传统的合金化方法往往会降低碳化物的基本性能。

科学家们认为，多组分碳化物的熵稳定化概念更具前景。此类合金展现出协同的“鸡尾酒效应”，结合了各组分的优势。

因此，高熵相的热力学稳定化抑制了高温下的缺陷形成，同时改善了功能特性，包括热导率和抗烧蚀性。此外，此类系统的熵稳定化不仅提高了碳化物的抗氧化稳定性，还确保了材料在较宽温度范围内的结构完整性。

1100°C下抗氧化性能的提升

特别令人感兴趣的是，可作为传统热障涂层（基于氧化钇稳定的氧化锆）与耐热基底（例如由镍铬合金制成）之间的中间层的薄膜高熵涂层。此类合金在热循环过程中表现出极强的抗剥落性能。

“与此同时，现有的研究主要聚焦于用钽、铌和钛对碳化锆和碳化铪进行合金化，而用铝和铬进行合金化的潜力却鲜有研究。在这项研究中，我们合成了一种高熵合金，它将碳化铪和碳化锆的难熔基体与氧化添加剂铝、铬和钽相结合。这种组合克服了碳化物之间的结构不相容性，有效抑制了相分离，”共同作者之一、TPU高能过程物理研究学院的首席研究员Sergey Zenkin评论道。

这些涂层通过磁控溅射法沉积在基底上。对获得的样品在高达1100°C的温度下进行了氧化测试。

“随后，对涂层的结构特性和元素组成进行了分析。结果表明，基于碳化铪和碳化锆并添加铝、铬和钽的高熵涂层在1100°C下表现出更高的抗氧化性能，”Zenkin补充道。

研究人员指出，与基于未合金化碳化铪和碳化锆的材料（抗氧化性能提高高达20倍）以及分别用铝和铬合金化的合金（抗氧化性能提高高达7倍）相比，所合成和研究的涂层表现出更好的抗氧化性能。目前，科学家们正在测试双氧化物 - 碳化物高熵系统，研究其热学和机械特性，以及它们在极端温度下的相互作用。

该项目由TPU高能过程物理研究学院和新生产技术工程学院的员工参与。该研究得到了俄罗斯科学基金会（Russian Science Foundation）的资助（项目编号：22-79-10069）。