航空發動機服役環境極為苛刻，包括高溫氧化、水氧腐蝕、粒子沖蝕等多重因素耦合作用。針對未來航空發動機陶瓷基複合材料熱端部件環境障塗層，其主要面臨環境腐蝕物侵蝕的挑戰。目前，環境障塗層通常採用大氣等離子噴塗、等離子噴塗-物理氣相沉積方法來製備，但鑑於其沉積機理，塗層中避免不了存在少量的開孔及裂紋，這就為環境中的腐蝕介質提供了滲透路徑，造成塗層失效。

來自廣東省科學院新材料研究所與西安交通大學的研究人員合作，提出了壓滲熔融鋁的方法來封堵塗層中的開孔及微裂紋，重點從熱力學角度分析了熔融鋁在孔隙中浸滲的困難性。結果表明，透過控制外壓可獲得良好的浸滲效果，這一研究結果有望為製備高緻密環境障塗層提供新思路。相關論文以題為“Infiltrationthermodynamics in wrinkle-pores of thermal sprayed coatings”發表在Applied Surface Science (董琳為第一作者、劉梅軍和張小鋒為通訊作者)。

論文連結：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169433220336060

圖 TBCs的截面組織

該研究首先基於真實塗層的複雜孔隙結構建立了開放孔隙幾何模型——“褶皺孔”，以及熔體浸滲的物理模型和數學模型。透過數學模型計算獲得了熔體能量隨浸滲深度的變化規律，發現在浸滲過程中熔體能量出現多個平衡態，只有克服平衡態之後的能壘，熔體才能繼續浸滲。進而透過計算驅動力、分力等，得知外壓降低能量、驅動浸滲，內壓升高能量、阻礙浸滲，而造成能壘的主要因素是彎曲液麵附加壓即毛細力，如圖1所示。

圖1 三種模型浸滲能量曲線

毛細力的決定性因素包括孔隙的幾何結構（孔寬和孔壁傾角）和熔體的潤溼特性（接觸角）。其中，孔隙結構中的擴張結構、熔體不良的潤溼性是造成毛細力阻礙浸滲的主要原因。但人為調控孔隙幾何和熔體在不均勻材料表面的潤溼性較難實現。研究過程中發現，除了毛細力，內、外壓也同樣影響浸滲行為，因此計算了升高外壓、同時降低內壓的方法對能量的影響，得知該法降低能量、克服能壘、提高浸滲深度理論上可行，而且這種調控外壓和內壓的方法在實踐中比較容易實施，如圖2所示。

圖2 內、外壓力的變化對驅動力及能量曲線的影響規律

綜上所述：塗層中複雜、不規則的孔隙結構是造成熔體自發浸滲困難的主要因素之一。透過調節孔隙內外壓力的方法能夠在一定程度上克服由孔隙擴張結構和潤溼性差引起的浸滲阻力，該方法應用於調控熔體在複雜孔隙內的浸滲深度具有熱力學可行性。

*感謝論文作者團隊對本文的大力支援