氢（混）燃气轮机热障涂层在水蒸气环境下的失效机制与改性策略综述

doi:10.11900/0412.1961.2026.00128

金属学报 DOI: 10.11900/0412.1961.2026.00128

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邬明钰¹, 雷跃随^1,2, 沈明礼¹, 朱圣龙¹, 王璐³, 肖飞³

1 中国科学院金属研究所沈阳 110016

2 中国科学技术大学材料科学与工程学院沈阳 110016

3 辽宁材料实验室燃氢防护技术研究所沈阳 110167

Degradation Mechanisms and Tailoring Strategies of Thermal Barrier Coatings under Water Vapor Environments in Hydrogen-Fueled Gas Turbines: A Review

WU Mingyu ¹, LEI Yuesui ^1,2, SHEN Mingli ¹, ZHU Shenglong ¹, Wang Lu ³, XIAO Fei ³

1 Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China

2 School of Materials Science and Engineering, University of Science and Technology of China, Shenyang 110016, China

3 Institute of Coating Technology for Hydrogen Gas Turbine, Liaoning Academy of Materials, Shenyang 110167, China

引用本文:

邬明钰, 雷跃随, 沈明礼, 朱圣龙, 王璐, 肖飞. 氢（混）燃气轮机热障涂层在水蒸气环境下的失效机制与改性策略综述[J]. 金属学报, DOI: 10.11900/0412.1961.2026.00128.

全文: PDF(7540 KB)

摘要: 氢(混)燃气轮机燃烧产生的高温水蒸气，对热障涂层(TBCs)的服役稳定性提出了严峻挑战。本文系统综述了热障涂层在此复杂环境下的失效机制与性能调控研究进展。首先，剖析了高温水蒸气对氧化锆基陶瓷面层加速烧结、诱发相变，以及导致金属粘结层热生长氧化物(TGO)异常生长的微观机理，并探讨了水蒸气与CMAS的耦合腐蚀效应。其次，重点论述了面向抗水汽腐蚀的涂层优化策略，包括高熵陶瓷、稀土锆酸盐等新型陶瓷材料的设计、多层复合结构调控，以及粘结层的活性元素改性、高熵化与表面预处理技术。最后，总结当前研究的局限性，并对多物理场耦合原位表征、数据驱动的新材料高通量设计以及非线性寿命预测模型的构建进行了展望。本文旨在为研发适用于氢(混)燃机极端工况的长寿命、高可靠新型热防护涂层体系提供理论依据与设计指导。

关键词 ：热障涂层, 高温水蒸气, 高温氧化, CMAS腐蚀, 涂层失效, 性能调控

Abstract：The high-temperature water vapor generated by the combustion of hydrogen (mixed) gas turbines poses a severe challenge to the service stability of thermal barrier coatings (TBCs). This paper systematically reviews the research progress on the failure mechanisms and performance optimization of TBCs in this complex environment. Firstly, the microscopic mechanisms by which high-temperature water vapor accelerates sintering and induces phase transformation in zirconia-based ceramic top coats, as well as leads to the abnormal growth of thermally grown oxide (TGO) in metallic bond coats, are analyzed. The coupled corrosion effect of water vapor and CMAS is also discussed. Secondly, the optimization strategies for coatings to resist water vapor corrosion are highlighted, including the design of novel ceramic materials such as high-entropy ceramics and rare-earth zirconates, the control of multi-layer composite structures, as well as the reactive element modification, high-entropy alloying, and surface pretreatment techniques for bond coats. Finally, the limitations of current research are summarized, and prospects are presented for multi-physics field coupled in-situ characterization, data-driven high-throughput design of new materials, and the construction of nonlinear life prediction models. This aims to provide a theoretical basis and design guidance for the development of long-life, high-reliability novel thermal protection coating systems suitable for the extreme operating conditions of hydrogen (mixed) gas turbines.

Key words： Thermal barrier coatings High-temperature water vapor High-temperature oxidation CMAS corrosion Coating failure Performance regulation

收稿日期: 2026-05-14

基金资助:国家重点研发计划(2024YFB3715200); 国家自然科学基金(52531003); 国家自然科学基金(52401125)

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