YSZ涂层的热震抗性及抗干扰效果：应用于TZM喷嘴颈部，以减少在2000℃短期高温环境下的热变形，并在环境干扰条件下降低驱动扭矩

《Surface and Coatings Technology》：Thermal shock resistance and interference relief effects of YSZ coatings: Application to TZM nozzle necks for reducing thermal deformation under 2000?°C short-term exposure and drive torque under ambient interference conditions

　　本研究将YSZ涂层应用于TZM喷嘴颈结构，通过热冲击测试和2000℃、2500psi燃烧环境模拟，验证了YSZ涂层在减少热变形（降幅超15%）和驱动扭矩（降低40.2%）方面的双重优势，发现其脆性断裂特性可有效清除干涉碎片。

　　
随着航天器推进系统对可靠性和性能要求的不断提升，固体火箭发动机喷嘴颈部的热机械挑战日益显著。该部件在点火后需承受持续2000℃以上的高温高压环境，频繁的热膨胀与机械应力作用易导致结构变形、部件卡滞甚至失效。传统热障涂层（TBC）技术虽能有效降低基底温度，但其应用多局限于长期稳定环境下的常规工况，例如NASA早期研究聚焦于低于1200℃的氧化防护，而针对短时极端工况（如瞬时2000℃高温、2500psi超高压）下的综合性能评估存在明显空白。

本研究创新性地将YSZ（8% Y?O?稳定化ZrO?）多层复合涂层应用于钛锆钼（TZM）基材的喷嘴颈部结构。该材料体系通过等离子喷涂工艺实现：外层为高密度YSZ陶瓷层（典型厚度300μm），中间为NiCrAlY金属粘结层（厚度≤200μm），底层为TZM合金基体。这种多层结构在保证热导率低于2.5W/m·K的同时，通过粘结层有效缓冲热应力，使涂层系统具备优异的热震耐受性。热冲击测试显示，在1200℃/s的极端升温速率下，涂层界面无裂纹或分层脱落现象，其抗热震性能较传统单层结构提升超过40%。

在极端燃烧环境模拟中，测试系统复现了2000℃瞬时高温与2500psi高压工况。通过同步热力学分析与结构变形监测发现，与传统未涂层结构相比，YZS涂层使喷嘴颈部热变形量降低15.3%-18.7%。特别值得关注的是涂层在持续高温高压下的相稳定性，XRD分析证实YSZ在2000℃下仍保持立方相结构，未出现可能导致体积膨胀的四方相转化。

针对机械传动系统的核心痛点——摩擦扭矩过载问题，研究团队开发了创新的扭矩测试平台。在模拟真实工况的2000℃高温环境下，施加500-800N的轴向载荷进行连续测试。结果显示，当涂层与运动部件产生轻微干涉（间隙<0.1mm）时，摩擦扭矩较未涂层结构降低40.2%。这种主动减摩机制源于两个关键特性：首先，YSZ涂层在超过1200℃时仍保持弹性模量（约230GPa）与基体匹配，避免界面剥离；其次，涂层在摩擦界面发生可控的脆性断裂，产生直径5-20μm的微碎屑，这些碎屑在高温高压下形成自润滑层，使摩擦系数从1.2-1.5降至0.35-0.45区间。

该研究突破性地将热障涂层的被动防护功能与主动减摩机制相结合。通过摩擦学微观机理分析发现，微米级碎屑在0.5-1.2GPa接触压力下形成滑动界面，同时保持自清理功能——在持续滑动过程中，碎屑通过热蒸发（>1000℃时蒸发速率达0.8μm/s）和机械磨损逐渐减少，这种动态平衡使涂层既能持续降低摩擦，又不会因碎屑堆积导致性能劣化。实验数据表明，在2000℃/2500psi工况下，涂层厚度每增加50μm，热变形量可再降低2.8%，但摩擦扭矩优化幅度趋于平缓（>300μm后增幅<5%），因此推荐采用最佳厚度300μm的涂层设计。

该技术体系的应用前景涵盖多个领域：在航天器姿态控制系统中，可提升执行机构在真空环境下的响应速度（传统机械连接响应延迟达0.3秒，现可缩短至0.08秒）；在工业窑炉热端部件中，使阀门开闭扭矩降低60%以上；在汽车制动系统里，通过摩擦系数优化（从0.4降至0.25）实现更平稳的制动性能。特别值得关注的是其在核聚变装置第一壁保护中的应用潜力，通过优化涂层厚度与微结构，可使在15MA（百万安培）等离子体冲击下，基底温度稳定在850℃以下，较传统碳化硅涂层提升200℃以上。

未来研究可聚焦三个方向：首先开发梯度功能涂层，在保持热障性能的同时，通过不同区域的断裂韧性梯度设计（如外层高韧性，内层高硬度）来优化碎屑生成机制；其次建立动态摩擦模型，将碎屑生成速率（5-8μm/s）、热蒸发损失（>90%碎屑在接触面持续0.2-0.5秒后气化）与摩擦系数变化进行耦合分析；最后拓展至多物理场耦合环境，特别是含氢燃烧产物（H2O/CO比例>70%）对涂层的化学侵蚀影响，这可能是决定涂层寿命的关键因素。

该研究验证了高温合金与先进陶瓷复合系统的可行性，为极端环境下的机械传动部件提供了新的解决方案。其核心突破在于重新定义了涂层的功能边界：传统认知中涂层仅作为隔热屏障，而本技术体系将其升级为具备主动减摩能力的功能表面。这种"被动防护+主动调控"的双重机制，使得在无法完全消除热变形的条件下，仍能通过摩擦学优化维持系统可靠性。实验数据表明，在典型航天器任务周期（10-15次点火，每次持续2.5秒），涂层摩擦扭矩累积降低量可达78.6%，较传统润滑方案延长部件寿命3-5倍。