鲁金忠、蔡杰课题组：从粘结层组织重构到陶瓷层遗传生长，强流脉冲电子束助力热障涂层延寿

第一作者：李向成

通讯作者：鲁金忠、蔡杰

通讯单位：江苏大学

DOI: 10.1016/j.jmst.2025.07.071

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热障涂层是航空发动机热端部件核心热防护技术，粘结层?陶瓷层界面氧化层的非受控生长以及陶瓷层剥落，是限制涂层服役寿命的核心瓶颈。本文创新性利用强流脉冲电子束（HCPEB）对电弧离子镀（AIP）MCrAlYX金属粘结层开展表面重熔抛光与微观组织重构，以此原位调控后续电子束物理气相沉积（EB?PVD）陶瓷层的生长行为，诱导陶瓷/金属界面生成稳定致密的Al?O?热生长氧化层，实现热障涂层热循环寿命的显著提升。

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研究背景

航空发动机正朝着更高推重比、更高热效率的方向快速发展，热端部件的服役温度已超过高温合金的极限承温能力。热障涂层（TBC）因其优异的隔热、防氧化与抗热冲击性能，已成为涡轮叶片等关键部件不可或缺的表面热防护技术。典型的热障涂层通常采用双层结构：面层多采用氧化钇稳定的氧化锆（YSZ）陶瓷层，起隔热作用；底层多以MCrAlYX 金属粘结层为主，起到缓解热不匹配及抗氧化作用。然而，在长期高温服役过程中，氧会穿透陶瓷层并与金属粘结层中的Al、Cr等元素发生反应，进而在陶瓷层与粘结层的界面处形成热生长氧化物层（TGO）。理想状态下，连续致密的Al2O3层能有效阻挡氧的进一步扩散；但实际服役中，TGO往往生长不均匀、厚度失控，甚至形成尖晶石类脆性氧化物，引发界面应力集中、裂纹萌生，最终导致陶瓷层剥落，涂层提前失效。因此，精准调控金属/陶瓷界面的微观组织结构，抑制TGO的非稳态生长，是提升热障涂层服役寿命的关键科学问题。

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本文亮点

（1）提出脉冲电子束粘结层表面改性工艺：采用非聚焦型大束斑脉冲电子束对粘结层进行大面积重熔处理，实现“表面精整抛光、微观组织重构和成分均匀调控“，显著提升粘结层抗高温氧化性能；

（2）揭示多效应协同作用下热障涂层延寿机制：建立“粘结层结构调控－陶瓷层界面遗传－氧化层受控生长－热障涂层延寿服役”关系，揭示金属/陶瓷界面微结构调控机制及多效应协同控制热障涂层延寿服役机制；

（3）形成高性能热障涂层多工艺融合制备方法：通过“气相沉积粘结层＋脉冲电子束辐照＋气相沉积陶瓷层”复合制备工艺，实现高结合强度、优异抗氧化和长服役寿命的热障涂层制备，为该类涂层性能提升提供新思路。

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图文解析

本文首先采用AIP技术在高温合金基体表面制备NiCoCrAlYSiHf金属粘结层，随后对粘结层进行真空扩散退火。对于原始样品，采用传统湿喷砂处理；对于改性样品，则采用HCPEB技术进行表面重熔。最后，通过EB-PVD技术在两类粘结层表面沉积8YSZ陶瓷层，形成原始和HCPEB改性两类热障涂层样品。

图1 热障涂层制备与HCPEB界面改性流程：(a) AIP沉积粘结层；(b) 真空退火工艺曲线；(c) 湿喷砂处理；(d) HCPEB表面改性；(e) EB-PVD陶瓷层；(f, g) 改性前后热障涂层结构示意图

原始AIP粘结层表面存在较多大颗粒、微孔和微裂纹等制备缺陷，表面粗糙度Ra约为4.3 μm。经过HCPEB处理后，表面缺陷得到有效消除，粗糙度显著降低。其中，24次脉冲处理的样品表现出最佳表面状态，Ra降至约0.7 μm，同时形成了厚度约6.9 μm的致密重熔层。相比之下，传统湿喷砂虽然能部分降低粗糙度，但仍残留大颗粒缺陷，且难以实现近表层组织的同步调控。这表明HCPEB能够同时实现粘结层的表面平整化、缺陷消除和组织重构，为后续陶瓷层的均匀生长提供了更优的界面基础。

图2原始涂层、HCPEB辐照涂层和湿喷砂涂层的表面及界面微观状态：(a-e, p) 表面形貌；(f-q) 三维表面形貌；(k-o) 截面形貌；(r, s) 表面粗糙度与重熔层厚度统计数据

图3 HCPEB辐照前后粘结层TEM分析：(a) 原始涂层；(b–e) 不同脉冲次数改性涂层

EB-PVD陶瓷层的生长具有明显的遗传效应，即粘结层的表面形貌和组织特征会直接影响陶瓷层的形核、长大和晶粒取向。在未经改性的粗糙粘结层表面，陶瓷层容易形成局部团簇状凸起、倾斜柱状晶和孔洞缺陷，导致陶瓷层结构均匀性不足。而经HCPEB改性后的粘结层表面平整光滑，陶瓷层柱状晶排列更加规整，晶粒尺寸分布更均匀，表面粗糙度也由原始的1.86 μm降至约1.32 μm。这种均匀的柱状晶结构有助于提升陶瓷层的应变容限能力，降低热循环过程中裂纹萌生和扩展的风险。

图4 改性热障涂层表面及截面状态：(a-b) 表面形貌；(c-d) 截面形貌及EDS面扫描分析

电子背散射衍射(EBSD) 分析进一步证实，原始陶瓷层底部较厚的等轴晶区域，晶粒取向分散，表明粗糙粘结层表面会诱导陶瓷层发生不均匀形核和生长。而改性陶瓷层底部的柱状晶更加连续，晶粒取向一致性明显提升，最大取向强度显著增加，说明HCPEB改性不仅改变了陶瓷层的表面形貌，也进一步调控了其晶体取向，使其形成更加稳定、有序的柱状晶结构。

图5 改性前后热障涂层界面EBSD分析：(a,e) 图像质量图；(b, f) 晶粒取向差分布图；(c, d, g, h) 极图

TGO的厚度、组成和形貌是决定热障涂层寿命的关键因素。原始热障涂层在热循环过程中，界面TGO生长迅速且不均匀，逐渐形成Al2O3、Cr2O3和尖晶石等混合氧化物。随循环次数增加，TGO内部容易形成孔洞和裂纹，最终诱发界面剥离。而经HCPEB改性后，粘结层表面平整、组织细化、元素扩散行为得到优化。热循环过程中，改性涂层界面主要形成连续、致密的Al2O3型TGO，且生长速率大幅降低。在1100℃热循环140次后，原始涂层TGO厚度已达26.6 μm，而改性涂层TGO厚度仅为5.9 μm，充分证明HCPEB改性能够有效抑制TGO的失控生长，显著提升界面稳定性。

热循环氧化实验直观展示了HCPEB改性对涂层寿命的提升效果。原始热障涂层在50次热循环后开始出现边缘剥落，随着循环次数增加，剥落面积不断扩大。到140次热循环后，剥落面积约占总面积的31%，涂层已出现明显失效。相比之下，HCPEB改性热障涂层在90次热循环后仍未出现明显剥落。即使经过140次热循环，其剥落面积也仅约为4%，仍保持较好的整体完整性和防护能力。这说明，通过HCPEB对粘结层进行表面重构，可以从源头改善陶瓷层生长和界面氧化行为，最终显著提升热障涂层的抗剥落性能和热循环服役寿命。

图6 改性前后热障涂层不同热循环次数后的表面宏观形貌

最后，本文总结了原始和改性热障涂层在热循环过程中的失效差异。原始涂层粗糙界面导致TGO不均匀生长，引发严重应力集中；陶瓷层烧结致密化后应变容限能力下降；界面裂纹、陶瓷层内部裂纹和TGO孔洞相互连通，最终导致大面积剥落。HCPEB改性涂层凭借其平整的粘结层表面诱导陶瓷层形成均匀规整的柱状晶；界面生成稳定致密的Al2O3型TGO；均匀的界面结构和稳定的TGO共同抑制了裂纹萌生与扩展，从而显著提高涂层的热循环服役寿命。

图7 HCPEB改性前后热障涂层的失效机制示意图

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总结与展望

本文提出了一种基于HCPEB改性的热障涂层界面调控方法。通过对MCrAlYX金属粘结层进行HCPEB表面重构，不仅彻底消除了电弧离子镀制备过程中产生的表面缺陷，显著降低了表面粗糙度，还实现了近表层组织的精细化调控。改性后的粘结层进一步调控了EB-PVD陶瓷层的遗传生长行为，使YSZ陶瓷层形成了更加均匀、规整的柱状晶结构。在高温热循环氧化过程中，HCPEB改性涂层能够优先形成连续致密的Al?O?型TGO，有效抑制了脆性混合氧化物的生成和界面裂纹扩展，最终实现了热障涂层热循环寿命的大幅提升。未来，该方法将进一步面向复杂形状热端部件开展工程化验证，并结合多场耦合服役环境下的寿命评价研究，为航空发动机等高温装备关键部件的长寿命防护提供新的技术思路和解决方案。

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作者及课题组介绍

蔡杰，教授、博士生导师。入选全球前2%科学家榜单、江苏省“333高层次人才培养工程”，美国内布拉斯加大学访问学者；担任中国机械工程学会表面工程分会表面学组特邀专家，《金属学报》《中国有色金属学报》《材料工程》《航空材料学报》等期刊青年编委。主要从事高能束表面强化、多模激光增材制造、高温腐蚀与热防护等方面的研究工作。主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金（面上/联合/青年）、江苏省科技计划项目等10余项。以第一/通讯作者身份在《Int. J. Mach. Tools Manuf.》《J. Mater. Sci. Technol.》《Corros. Sci.》《金属学报》等期刊发表SCI论文50余篇，授权中国发明专利10余件。创新性将高能束技术应用于热障涂层表?界面改性中，并建立“粘结层结构调控—陶瓷层界面遗传—氧化层受控生长—热障涂层延寿服役”的完整工艺技术路线。

江苏大学激光先进制造团队介绍

本工作依托江苏大学激光先进制造团队，团队由教育部长江学者特聘教授鲁金忠领衔，现有成员13名、国家级人才3名。团队面向国家重大战略需求，在航空航天、核电、水利等大型装备复杂构件激光冲击特种强化、激光复合沉积制造、移动式现场修复等领域持续开展深入研究和原始创新，在激光冲击纳米化、激光热力交互增材制造方法、高效增材制造工艺及装备等方面形成鲜明特色，部分技术和装备在沈阳黎明、沈飞、上海航天、长江电力、瑞兆激光等头部企业应用。研究成果获国家教学成果奖二等奖1项、中国专利金奖2件、教育部霍英东教育教学成果奖一等奖1项、江苏省科学技术奖一等奖4项、中国机械工业科学技术奖一等奖等奖项。

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引用本文

Xiangcheng Li, Wei Qian, Xiaofeng Zhang, Xiankai Meng, Yinqun Hua, Jinzhong Lu, Jie Cai, Enhancing service life of thermal barrier coating via high-current pulsed electron beam processing: Surface reconstruction of bonding layer and crystalline inheritance of ceramic layer, J. Mater. Sci. Technol. 256 (2026) 203-220

信息来源：材料科学和技术

2026中国国际石墨烯创新大会

11月13-15日 中国·温州

“2026年中国国际石墨烯创新大会”将由石墨烯产业技术创新战略联盟（CGIA）和正泰集团联合主办，将于2026年11月13-15日在温州市（乐清）举办。大会聚焦石墨烯应用市场，着力促进石墨烯创新成果与产业端的深度对接合作，推动石墨烯产业迈向高质量发展新阶段。2026中国国际石墨烯材料应用博览会将同期举办。

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