DOI: https://doi.org/10.26599/jac.2026.9221293
تاريخ النشر: 2026-04-07
المؤلف: Wenjian Guo وآخرون
الموضوع الرئيسي: سلوكيات الطلاء عند درجات الحرارة العالية
نظرة عامة
تقدم هذه القسم نظرة عامة على التحديات التي تواجهها الطلاءات الحرارية والبيئية التقليدية (TBCs/EBCs) في محركات الطائرات المتقدمة والتوربينات الغازية، خاصة بسبب ارتفاع درجات حرارة مدخل التوربين. تعاني هذه الطلاءات من تحولات الطور عند درجات الحرارة العالية، وعدم تطابق التمدد الحراري، والانهيار الناتج عن تآكل الكالسيوم-المغنيسيوم-الألومينوسيليكات المنصهرة (CMAS) وبخار الماء. لمعالجة هذه القضايا، ظهرت أكاسيد العناصر الأرضية النادرة ذات الانتروبيا العالية (HEREOs) كبديل واعد، مستفيدة من استقرار الانتروبيا التكوينية، وتشوه الشبكة، والانتشار البطيء لتحقيق خصائص مرغوبة مثل الموصلية الحرارية المنخفضة للغاية والركود الكيميائي الاستثنائي.
تستكشف المراجعة بشكل منهجي التقدم في HEREOs لحماية القسم الساخن، موضحة العلاقات بين العملية والميكروهيكل أثناء ترسيب الطلاء وتطور الطور غير المتوازن الناتج عن الرش الحراري. تفحص استقرار الطور عند درجات الحرارة العالية، وخصائص الديناميكا الحرارية المصممة بالعيوب، وآليات الفشل تحت التعرض لـ CMAS وبخار الماء. لتعزيز صلابة الكسر لـ HEREOs، تؤكد المراجعة على أهمية تقنيات الهندسة الهيكلية المتقدمة، بما في ذلك تقوية متعددة الأطوار والهياكل المتدرجة. علاوة على ذلك، تقترح الانتقال من الطرق التجريبية إلى إطار تصميم عكسي مدفوع بالتعلم الآلي لتحسين وتوقع أداء طلاءات HEREO، بينما تقدم أيضًا رؤى حول اتجاهات البحث الحالية والاتجاهات المستقبلية في هذا المجال.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على الدور الحاسم لمحركات الطائرات والتوربينات الغازية الثقيلة في الصناعة الحديثة، مشددة على الحاجة إلى التقدم الذي يعزز نسب الدفع إلى الوزن، والكفاءات الحرارية، ويقلل من انبعاثات الملوثات. يشير المؤلفون إلى أن زيادة درجة حرارة مدخل التوربين (TIT) هي استراتيجية رئيسية لتحسين الأداء، حيث تشير الدراسات إلى أن ارتفاع درجة حرارة المدخل بمقدار 100 درجة مئوية يمكن أن يؤدي إلى زيادة تتراوح بين 2%-3% في الكفاءة الحرارية وزيادة بنسبة 10% في الدفع. شهدت محركات الطائرات الحالية ارتفاع درجات حرارة المدخل من حوالي 1100 درجة مئوية إلى أكثر من 1500 درجة مئوية، مع تطلعات للوصول إلى 1800 درجة مئوية. ومع ذلك، فإن هذا التصعيد يقدم تحديات كبيرة لمكونات القسم الساخن، مما يستلزم تطوير طلاءات حرارية وبيئية عالية الأداء (TBCs/EBCs) لحماية هذه المكونات من الظروف القاسية.
يتم تتبع تطور TBCs/EBCs من الطلاءات الخزفية المبكرة إلى الهياكل المتعددة الطبقات المتقدمة، مدفوعة بالحاجة إلى تحسين العزل الحراري ومقاومة التآكل. كانت مقدمة الزركونيا المدعمة باليتريا (YSZ) علامة بارزة، حيث حققت المتانة عند درجات الحرارة العالية ولكنها لا تزال تواجه تحديات مثل تحولات الطور والانهيار بسبب العوامل البيئية. تركزت التطورات الأخيرة على الزركونات والسيليكات من العناصر الأرضية النادرة، التي تقدم استقرارًا حراريًا أفضل وموصلية حرارية أقل. تؤكد الورقة على ضرورة حدوث تحول في تصميم المواد لتطوير TBCs/EBCs من الجيل التالي التي يمكن أن تتحمل المتطلبات المتزايدة لمحركات الطائرات الحديثة، خاصة مع اقتراب درجات حرارة المدخل من 1500 درجة مئوية. يشمل هذا التحول استكشاف أكاسيد العناصر الأرضية النادرة ذات الانتروبيا العالية (HEREOs) كمسار واعد للبحث والتطوير المستقبلي.
نقاش
تسلط قسم النقاش في ورقة البحث الضوء على التقدم في أكاسيد العناصر الأرضية النادرة ذات الانتروبيا العالية (HEREOs) لطلاءات الحواجز الحرارية (TBCs) وطلاءات الحواجز البيئية (EBCs). تدمج HEREOs وظائف متعددة ضمن شبكة أكسيد واحدة، مع عرض خصائص رئيسية مثل الانتروبيا التكوينية العالية، ودمج الخصائص، وتشوه الشبكة الكبير، والانتشار البطيء. يتيح دمج عدة كاتيونات من العناصر الأرضية النادرة في موقع A من الخزفيات مثل الزركونيوم (Zr) أو الهافنيوم (Hf) استقرار هياكل البايروكلور المرتبة أو هياكل الفلوريت المعيبة غير المرتبة، مما يعزز الاستقرار الحراري والمتانة الكيميائية ضد البيئات التآكلية. ظهرت عائلتان بارزتان من HEREOs – السيليكات والزركونات/السيراميك من العناصر الأرضية النادرة – كمرشحين رائدين لطلاءات TBCs/EBCs من الجيل التالي بسبب خصائصها الحرارية الفائقة ومقاومتها للترسبات المنصهرة.
تتوسع القسم أكثر في طرق معالجة طلاءات HEREO، مشددًا على الرش بالبلازما الجوية (APS) كأكثر الطرق قابلية للتوسع. يسمح APS بالتصلب السريع، مما يخلق ميكروهيكل غني بالعيوب يكبح بشكل فعال نقل الفونونات ويعزز العزل الحراري. التفاعل بين معلمات المعالجة والميزات الميكروهيكلية الناتجة أمر حاسم؛ على سبيل المثال، يمكن أن يؤدي تحسين تركيز العيوب إلى خفض الموصلية الحرارية بشكل كبير. تقدم طرق بديلة مثل الرش بالبلازما الفراغية (VPS) ورش البلازما لمحلول السلفي (SPPS) تحكمًا مخصصًا في الميكروهيكل، مما يعزز أداء الطلاءات من خلال تقليل العيوب وتعزيز التوحيد. تختتم المناقشة بالتأكيد على أهمية فهم استقرار الطور، وتشوه الشبكة، وكيمياء العيوب في تصميم الخزفيات ذات الانتروبيا العالية، والتي تساهم مجتمعة في خصائصها الحرارية والميكانيكية الاستثنائية.
DOI: https://doi.org/10.26599/jac.2026.9221293
Publication Date: 2026-04-07
Author(s): Wenjian Guo et al.
Primary Topic: High-Temperature Coating Behaviors
Overview
The section provides an overview of the challenges faced by conventional thermal and environmental barrier coatings (TBCs/EBCs) in advanced aeroengines and gas turbines, particularly due to rising turbine inlet temperatures. These coatings suffer from high-temperature phase transformations, thermal expansion mismatches, and degradation from molten calcium-magnesium-aluminosilicate (CMAS) and water vapor corrosion. To address these issues, high-entropy rare-earth oxides (HEREOs) have emerged as a promising alternative, leveraging configurational entropy stabilization, lattice distortion, and sluggish diffusion to achieve desirable properties such as ultralow thermal conductivity and exceptional chemical inertness.
The review systematically explores the advancements in HEREOs for hot-section protection, detailing the process-microstructure relationships during coating deposition and the nonequilibrium phase evolution from thermal spraying. It examines high-temperature phase stability, defect-engineered thermophysical properties, and failure mechanisms under CMAS and water vapor exposure. To enhance the fracture toughness of HEREOs, the review emphasizes the importance of advanced structural engineering techniques, including multiphase toughening and gradient architectures. Furthermore, it proposes a shift from empirical methods to a machine-learning-driven inverse design framework for optimizing and predicting the performance of HEREO coatings, while also providing insights into current research trends and future directions in the field.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the critical role of aeroengines and heavy-duty gas turbines in modern industry, emphasizing the need for advancements that enhance thrust-to-weight ratios, thermal efficiencies, and reduce pollutant emissions. The authors note that increasing the turbine inlet temperature (TIT) is a key strategy for improving performance, with studies indicating that a 100 °C rise in TIT can yield a 2%-3% increase in thermal efficiency and a 10% boost in thrust. Current aeroengines have seen TITs rise from approximately 1100 °C to over 1500 °C, with aspirations to reach 1800 °C. However, this escalation presents significant challenges for hot-section components, necessitating the development of high-performance thermal and environmental barrier coatings (TBCs/EBCs) to protect these components from extreme conditions.
The evolution of TBCs/EBCs is traced from early ceramic coatings to advanced multilayered architectures, driven by the need for improved thermal insulation and corrosion resistance. The introduction of Yttria-stabilized zirconia (YSZ) marked a significant milestone, achieving durability at high temperatures but still facing challenges such as phase transformations and degradation due to environmental factors. Recent advancements have focused on rare-earth zirconates and silicates, which offer better thermal stability and lower thermal conductivity. The paper underscores the necessity for a paradigm shift in material design to develop next-generation TBCs/EBCs that can withstand the increasing demands of modern aeroengines, particularly as TITs approach 1500 °C. This shift includes exploring high-entropy rare-earth oxides (HEREOs) as a promising avenue for future research and development.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the advancements in high-entropy rare-earth oxides (HEREOs) for thermal barrier coatings (TBCs) and environmental barrier coatings (EBCs). HEREOs integrate multiple functionalities within a single oxide lattice, exhibiting key properties such as high configurational entropy, property hybridization, significant lattice distortion, and sluggish diffusion. The incorporation of multiple rare-earth cations on the A site of ceramics like zirconium (Zr) or hafnium (Hf) enables stabilization of either ordered pyrochlore or disordered defect-fluorite structures, which enhances thermal stability and chemical robustness against corrosive environments. Two prominent families of HEREOs—rare-earth silicates and zirconates/cerates—have emerged as leading candidates for next-generation TBCs/EBCs due to their superior thermal properties and resistance to molten deposits.
The section further elaborates on the processing routes for HEREO coatings, emphasizing atmospheric plasma spraying (APS) as the most scalable method. APS allows for rapid solidification, creating a defect-rich microstructure that effectively suppresses phonon transport and enhances thermal insulation. The interplay between processing parameters and resulting microstructural features is critical; for instance, optimizing defect concentration can significantly lower thermal conductivity. Alternative methods such as vacuum plasma spraying (VPS) and solution precursor plasma spraying (SPPS) offer tailored microstructural control, enhancing the performance of coatings by minimizing defects and promoting uniformity. The discussion concludes by underscoring the importance of understanding phase stability, lattice distortion, and defect chemistry in the design of high-entropy ceramics, which collectively contribute to their exceptional thermal and mechanical properties.