基于工程孔隙结构设计提升热喷涂陶瓷涂层的力学性能与服役寿命
近日，内蒙古科学技术研究院中国-蒙古国选矿工艺技术“一带一路”联合实验室杨挺博士为通讯作者，联合广东技术师范大学黄继波副教授、汕头大学戴厚富副教授团队，在国际材料领域期刊《Ceramics International》（中科院二区，影响因子5.6）发表了关于热障涂层微观结构调控的原创性成果。研究利用双粉末送料技术，在高功率条件下沉积致密涂层基体的同时，嵌入未熔化的多孔YSZ团聚颗粒，成功构建了团聚粒子嵌入式涂层结构。该结构使涂层在保持良好断裂韧性的前提下，兼具低而稳定的弹性模量。通过有限元模拟，研究进一步揭示了嵌入多孔粒子对热障涂层服役应力的缓释机制。该研究将传统等离子喷涂热障涂层的设计理念从“控制总孔隙率”转向“调控孔隙的空间分布与形态”，突破了传统涂层中应变容限与断裂韧性难以兼顾的困境，具有广泛的工程适用性与可扩展性，为高性能热障涂层的结构设计提供了全新范式。
热障涂层体系中，通过设计孔隙结构是改善其力学性能的有效手段。传统方法主要依赖调节喷涂功率来控制涂层的总孔隙率，难以同时兼顾断裂韧性与应变容限。本研究采用双送粉工艺，聚焦于独立的孔隙结构设计，实现了在不牺牲涂层断裂韧性的前提下获得高应变容限，从而显著延长热障涂层的热循环寿命。
图1粒子嵌入式涂层沉积过程示意图及嵌入粒子在涂层中的分布型式
图2传统等离子喷涂涂层及粒子嵌入式涂层热循环寿命、开裂行为对比及粒子嵌入式涂层的应力缓释机制
研究结果表明，通过新工艺制备的YSZ涂层寿命相较于传统APS YSZ涂层寿命约提升3-5倍，嵌入的多孔颗粒可将应力集中降低超过50%，这些嵌入的多孔团聚粒子充当局部“应力缓冲区”，即使在模拟烧结导致基体刚度上升的情况下，嵌入粒子式涂层结构仍能有效控制应力分布。本研究提出的这种新工艺具有广泛的工程适用性，可通过调节粉末类型、送料速率、注入位置等参数，灵活设计颗粒尺寸、含量、分布甚至梯度结构，能够推广到其他热喷涂陶瓷涂层，用以提高其热、力学综合性能。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2026.03.071
来源：矿产资源利用与冶金研究所
编辑：张婉婷
初审：李振华
复审：曲景奎
终审：段翔
