【AI读论文】为航空发动机用难熔高熵合金穿上“抗熔沙铠甲”：新型陶瓷材料CrTaO₄的卓越防护性能

2025-11-25 17:31:33 作者：材料科学和技术来源：材料科学和技术分享至：

第一作者：张爽

通讯作者：周延春

通讯单位：郑州大学

AI科普解读

背景挑战：发动机的“天敌”——CMAS腐蚀

什么是CMAS？

它是钙、镁、铝、硅氧化物（CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂）的缩写，是空气中被吸入发动机的沙尘和灰烬的主要成分。

当发动机入口温度超过约1240°C时，这些沉积物会熔化成玻璃状液体。

CMAS的危害：

熔融的CMAS会渗透并破坏发动机热端部件表面的热障涂层。

这会导致涂层失效、剥落，严重威胁发动机的安全和寿命。

理想的防护材料：

需要同时具备：低导热性（隔热好）、热膨胀系数匹配（防止脱落）、高熔点、以及优异的CMAS腐蚀抵抗能力。

明星材料：CrTaO₄的独特优势

CrTaO₄是一种具有金红石结构的复合氧化物，它集多种优良特性于一身：

极佳的隔热性： 其热导率非常低，甚至优于目前广泛使用的氧化钇稳定氧化锆。
热膨胀“合拍”： 其热膨胀系数与难熔金属及难熔高熵合金非常接近，这意味着它作为涂层时，在冷热循环中不易因热应力而剥落。
高熔点： 超过2100 K，能承受发动机的极端高温环境。
双重功能： 它不仅能作为难熔金属及难熔高熵合金的热障涂层，还能阻止氧气向内扩散，防止基体合金进一步氧化，实现“一材两用”。

核心发现：卓越的CMAS抵抗能力

研究人员将CrTaO₄样品涂上CMAS，并在1250°C至1350°C的高温下进行测试，发现：

形成致密防护层： CrTaO₄与熔融CMAS反应后，会在其表面形成一层非常致密的新生反应层，这层物质能有效阻挡CMAS继续向内部渗透。
反应层随温度演变：

1250°C: 反应层约10微米厚，主要由CaTa₂O₆和Mg(Cr,Al)₂O₄尖晶石构成。

1300°C: 反应层增厚至约24微米。

1350°C: 反应层约37微米厚，并且呈现出成分梯度：从外到内依次为 CaTa₂O₆层 → CaTa₂O₆ + 尖晶石层 → CaTa₂O₆ + Cr₂O₃层。
性能超越主流材料： 在相同条件下，CrTaO₄形成的反应层厚度远薄于传统的YSZ涂层和许多其他候选材料，表明其CMAS腐蚀速率更慢，抵抗能力更强。

防护机制揭秘：双重防线

CrTaO₄的卓越抗腐蚀能力源于其构建的两道智能防线：

物理屏障——致密反应层：

新生成的CaTa₂O₆等产物结晶性好、结构致密。

在原子尺度下观察发现，这些新生相之间的界面是晶格直接匹配的，没有非晶层或缝隙，像一堵严实的墙，有效阻断了CMAS熔体的渗透通道。

化学防御——改变CMAS本身：

反应大量消耗了CMAS中的钙（Ca）、镁（Mg）、铝（Al）等成分。

这导致残留CMAS中的Ca/Si比例下降，其主要成分变成了二氧化硅（SiO₂）。

Ca/Si比越低，CMAS熔体的粘度就越高，流动性变差，就像蜂蜜变得粘稠一样，从而难以继续流动和渗透。

总结与展望：新一代防护材料的潜力

综上所述，CrTaO₄作为一种新兴的多功能陶瓷材料，展现出巨大的应用潜力：

性能全面： 集低热导率、匹配的热膨胀系数、高熔点、优异抗氧化和抗CMAS腐蚀能力于一身。
防护机理明确： 通过形成致密、成分梯度的反应层，并提高CMAS熔体粘度，构建了物理和化学双重防线。
应用前景广阔： 特别适合作为难熔高熵合金的天然防护层，可直接在高温服役过程中原位生成，或通过预处理制备，为发展下一代高性能航空发动机提供了关键材料选择。

图片解析

图 1. CrTaO₄样品制备和CMAS腐蚀实验示意图，图中也显示了X射线衍射、扫描电镜和透射电镜样品的采集区域。

图 2. (a) CrTaO₄的晶体结构，(b) CrTaO₄粉末和块体的X射线衍射图谱，其中也包含了CrTaO₄的标准X射线衍射图谱（JCPD卡片#81-0910）以供比较，(c) CrTaO₄粉末和致密块体（右上角）的扫描电镜图像，以及 (d) 沿[001]方向观察的CrTaO₄的高角环形暗场像。

图 3. 不同温度下CMAS腐蚀后CrTaO₄的X射线衍射图谱：(a) 1250°C, (b) 1300°C, (c) 1350°C, (d) 在2θ范围30°至40°内放大的X射线衍射图谱，显示了Mg(CrAl)₂O₄ (311)峰的偏移。

图 4. (a) CrTaO₄在1250°C下经受CMAS腐蚀5小时后的横截面扫描电镜图像，(b-h) 相应的跨反应层元素分布的能谱面分布图，以及 (i) 沿(a)图中所示直线从顶部到底部进行的能谱线扫描。

图 5. (a) CrTaO₄在1300°C下经受CMAS腐蚀5小时后的横截面扫描电镜图像，(b-h) 相应的元素分布能谱面分布图，(i) 沿(a)图中所示直线从CMAS层到CrTaO₄层进行的线扫描。

图 6. (a) CrTaO₄在1350°C下经受CMAS腐蚀5小时后的横截面扫描电镜图像，(b-h) 相应的能谱元素面分布图，以及 (i) 沿图6(a)中所示直线从CMAS层到CrTaO₄基底进行的线扫描。

图 7. (a) 图6(a)中红色矩形区域的高倍扫描电镜图像，(b-g) 相应的能谱元素面分布图，以及 (h) (a)图中元素的原子比。

图 8. 几种热障涂层材料在CMAS腐蚀下腐蚀深度的近期代表性数据总结。

图 9. CMAS腐蚀后CrTaO₄的微观结构（1350°C，5小时）：(a) 扫描电镜图像，(b) 从(a)图中标记为Site 1的区域获得的透射电镜图像，(c-g) (b)图相应的能谱元素面分布图，(h) 沿[110]方向观察的高角环形暗场像以及叠加的CrTa₂O₆原子结构，(i-k) Ca、Ta以及Ca-Ta的原子分辨率能谱面分布图，以及 (l) 图9(b)中紫色矩形区域的高角环形暗场-扫描透射电镜图像，显示了CrTa₂O₆中清晰的原子面台阶。

图 10. (a) 从图9(a)中Site 2切取的样品的高角环形暗场像，(b-g) 显示由不同含量的Ca、Ta、O、Mg、Al和Cr组成的两相衬度的能谱元素面分布图。(h) 沿[112]方向观察的Mg(Cr,Al)₂O₄的高角环形暗场像以及叠加的原子结构，(i) Mg、Cr和O的原子分辨率能谱面分布图，(j) 带有CaTa₂O₆叠加原子结构的高角环形暗场像，(k) Mg(Cr,Al)₂O₄和CaTa₂O₆之间界面的高角环形暗场像以及Mg(Cr,Al)₂O₄在[112]晶带轴和CaTa₂O₆在[110]晶带轴的快速傅里叶变换花样。

图 11. (a) 图9(a)中所示Site 3的高角环形暗场像。(b) 环形明场像，以及 (c-f) 显示分别由Ca、Ta、Cr和O组成的三相衬度的能谱元素面分布图。

图 12. Site 3处致密反应层中的相分布以及致密反应层与CrTaO₄基底之间界面的微观结构：(a) 来自图11(a)中黄色矩形区域的高角环形暗场像。蓝色矩形区域、紫色矩形区域和黄色矩形区域分别是CaTa₂O₆、Cr₂O₃和CrTaO₄晶粒，绿色矩形区域、红色矩形区域和橙色矩形区域分别是CaTa₂O₆/CrTaO₄、CaTa₂O₆/Cr₂O₃和Cr₂O₃/CrTaO₄界面。(b) 沿[110]方向观察的CrTaO₄的高角环形暗场像以及叠加的原子结构。(c) Ta和 (d) Cr的原子分辨率能谱面分布图。(e) 沿[110]方向观察的CaTa₂O₆的高角环形暗场像。(f) CaTa₂O₆中Ca和Ta的原子分辨率能谱面分布图。(g) 沿[1011]方向观察的Cr₂O₃的高角环形暗场像和叠加的原子结构。(h, i) 与图12(g)中Cr₂O₃的高角环形暗场像相对应的Cr和O的能谱面分布图。(j) CrTaO₄和CaTa₂O₆之间界面的高角环形暗场像。(k) Cr₂O₃和CaTa₂O₆之间界面的高角环形暗场像。(l) Cr₂O₃和CrTaO₄之间界面的高角环形暗场像。