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行业领域

高端装备制造产业,制造业

需求背景

热障涂层（Thermal Barrier Coatings，TBCs）是高温下具有良好隔热性能的陶瓷涂层，在航空发动机、冲压发动机、大型燃机和固体火箭发动机等动力系统的热防护方面有重大应用，是我国国防工业亟待突破的卡脖子技术之一。国内外常用的TBCs材料8YSZ（8 wt%Y2O3稳定的ZrO2），其热导率较高、在1178℃以上发生相变和烧结，在1300℃以上界面氧化严重，易发生裂纹萌生与扩展等问题，已经难以满足先进航空发动机对大推力、高推重比、高可靠性、经济型和较长服役寿命的综合需求。因此，为保障未来先进航空发动机关键热端部件的稳定运行，本项目以高温（1300℃~1450℃）稳定服役、涂层强结合、耐长时高温氧化、温感智能自修复的新型热障涂层为研究对象，基于高温多层结构适配性设计、智能自修复粒子掺杂强化、多元材料配型调控等多种材料学手段，开展温感自适应智能修复热障涂层的材料研制、结构设计、形性调控制备技术研究，突破热障涂层材料高温环境下结合性能与抗氧化性能瓶颈，解决传统YSZ热障涂层服役寿命不足、综合服役性能不佳等性能调控难题，创新性的建立集“耐高强温-抗氧化-强结合-温感自修复”于一体的高性能温感自适应智能修复热障涂层研发与调控技术体系，为提升热障涂层在长时高强温环境下的服役性能与寿命提供新技术、新方法。

需解决的主要技术难题

具有高熵效应的多元金属涂层的研究尚处于起步阶段，研究重点多集中于材料体系制备工艺对涂层力学性能的影响上，对于其作为热障涂层的粘结层材料的研究仅处于探索阶段，尚未有完整的理论体系，因此还需对其在热障涂层粘结层中的应用进行更深入的研究。多元稀土离子的掺杂虽然能降低YSZ热障涂层的热导率，改善YSZ热障涂层的高温稳定性，但YSZ陶瓷涂层的潜力十分有限，已无法满足热端部件日益严苛的服役要求。目前大多数研究仍集中在对陶瓷隔热层或金属粘结层单一涂层热学性能的表征上，针对长时高温环境下热障涂层的针对性结构设计研究较少，相关热障自修复材料以及抗高温氧化粘结层材料的定向研发也并不多见，尤其是陶瓷层/粘结层/合金基体的多层耦合结构设计与自修复的研究尚不够系统和完善，尚未构成全方位、成体系的温感自适应智能修复热障涂层的设计与理论应用研究。

期望实现的主要技术目标

针对新一代航空发动机关键热端部件的严苛表面防护需求，首先，开展温感自适应功能的多组元智能涂层设计，包括抗高温氧化性优异的高熵合金体系粘结层材料设计、“核-壳”结构的温度敏感修复粒子设计与表面修饰、复合温感粒子的抗热腐蚀多元材料设计，探究满足不同梯度涂层服役温度和可温感自适应智能修复的“核-壳”粒子温敏特性，突破自修复粒子在涂层中的补裂止裂、抑氧抗氧化等技术难题；其次，开展温感自适应智能修复梯度涂层的结构设计与制备技术研究，探究涂层制备工艺对梯度涂层成分、组织、界面结合等的影响机制，突破关键工艺存在致密度低、组织差异化等技术瓶颈；最后，开展涂层的形性调控技术及温感自适应智能修复机理研究，阐明温度敏感粒子复合调控高温下氧化膜层的生长机理，突破梯度涂层层间/基体界面应力匹配的高结合力控制技术，满足1300~1450℃环境中的热腐蚀性能使役要求。

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