TiAl合金表面SiO2防護涂層研究進展

嚴豪杰，伍廉奎，曹發和

(中山大學材料學院，廣東 深圳 518107)

1 前 言

20世紀中葉以來，航空工業迅猛發展，對飛機性能和發動機推重比的要求不斷提高，渦輪葉片等關鍵部位的服役溫度條件愈加苛刻，新型輕質高溫結構材料的研發因此成為目前各國的研究重點[1, 2]。TiAl基金屬間化合物(簡稱TiAl合金)，具有密度低、比強度和比剛度高、高溫抗蠕變性能好等優點，被認為是替代傳統鎳基高溫合金的理想結構材料之一[3-6]，但TiAl合金在750 ℃以上的抗氧化性能不足，限制了其應用[7]。

TiAl合金的高溫氧化過程分為多個階段。第一階段，由于Al2O3和TiO2的形成自由能和平衡氧分壓十分接近，Al2O3和TiO2幾乎同時生成[8]。第二階段，由于TiO2具有更低的生長活化能，使得TiO2的生長速率遠高于Al2O3，形成以外層為TiO2，內層為TiO2+Al2O3的混合層[9]，該混合層多孔且與基體結合力差，容易開裂和剝落[10]。此外，由于“氮效應”的影響,氧化膜內側會產生TiN和Ti2Al[11-13]，阻止了連續Al2O3氧化膜的生成，氧化膜下方是由Z相(Ti5Al3O2)和α-Ti3Al間隙固溶體組成的貧鋁層[14, 15]。第三階段，外層TiO2逐漸增厚，內層則由于Al2O3不斷的溶解和脫溶析出，形成層片狀膜結構，析出的Al2O3以不連續的島狀或顆粒形式存在，無法起到擴散阻擋層的作用[16]，而氧在基體中的溶解則增加了基體的硬度，從而增強了其脆性。

為提高TiAl合金的抗高溫氧化性能，人們提出了整體合金化和表面改性2種方法。整體合金化是指添加第三或多種元素對TiAl合金化學成分、組織結構等性質進行調控，以獲得預期性能的方法。研究發現，添加Nb[17-19]，Cr[20]，Si[21, 22]，Y[23]，Mo[24]和W[25]等元素均有助于改善TiAl合金的抗高溫氧化性能。基于整體合金化，美國GE公司研發了Ti-48Al-2Nb-2Cr合金，并成功應用在CF6-80C發動機低壓渦輪葉片上[26]。盡管如此，經過合金化處理的TiAl合金在實際服役之前仍需進行表面改性，從而進一步提高其抗高溫氧化性能。表面改性技術主要包括表面合金化和施加防護涂層2種方法。表面合金化的方法有熱擴散[27-29]和離子注入[30-32]等。熱擴散具有操作簡單、改性層與基體結合良好等優點，但對合金抗高溫氧化性能的提升比較有限。離子注入法注入量可控、重復性較好，但其對合金成分改變的深度僅在表面幾百納米的尺度范圍內，而且設備成本昂貴，生產效率低。施加防護涂層可在不改變合金本體力學性能的前提下提高其抗高溫氧化性能，因此受到了廣泛關注。目前常見的防護涂層有金屬涂層[33-36]、陶瓷涂層[37-39]、玻璃涂層[40]以及幾種涂層結合形成的復合涂層[41]。高溫防護涂層的核心在于形成致密連續的氧化膜，作為屏蔽層阻擋氧氣向基體的滲透，從而提高其抗高溫氧化性能。通過形成以α-Al2O3、Cr2O3或SiO2為主的致密氧化膜，可有效降低氧在氧化膜中的擴散系數，增強涂層的防護性能[5]。

SiO2結構致密，化學穩定性和熱穩定性好[42]，是各類陶瓷、玻璃、陶瓷玻璃的主要成分。近年來，SiO2防護涂層在TiAl合金抗高溫氧化領域受到了研究人員的關注。SiO2涂層的制備方法對其結構和性能有明顯影響。本文將對近年來TiAl合金表面SiO2防護涂層的制備方法、高溫氧化行為以及抗高溫氧化機理進行綜述，并展望未來SiO2防護涂層的發展趨勢。

2 TiAl合金表面SiO2防護涂層

涂層的制備方法是影響其性能的關鍵因素，TiAl合金表面SiO2防護涂層的主要制備方法有磁控濺射法和溶膠凝膠法。表1總結了近年來TiAl合金表面SiO2防護涂層的制備方法和氧化行為。

表1 TiAl合金表面SiO2防護涂層的制備方法和高溫氧化行為

續表

2.1 磁控濺射SiO2涂層

磁控濺射是一種物理氣相沉積技術，通過在二極管濺射靶上施加磁場，可以將多種類型的材料(包括金屬和陶瓷)沉積到多類型的襯底材料上，具有設備簡單、可控性強、對基材損傷小、鍍層附著力強等優點，被廣泛應用于涂層制備工藝中[53]。

2000年，Iwamoto等[43]通過磁控濺射技術在TiAl合金表面制備了SiO2涂層，并研究了涂層保護下TiAl合金的抗高溫循環氧化性能。研究結果表明，磁控濺射SiO2涂層可作為擴散阻擋層有效提高TiAl合金在850 ℃下的抗循環氧化能力。該非晶SiO2涂層經循環氧化后表面未生成其他氧化物。然而，磁控濺射制備的該SiO2涂層厚度僅有2 μm，且氧化后表面存在明顯孔洞，為氧氣的內擴散提供了通道。

2.2 溶膠凝膠SiO2涂層

溶膠凝膠法自19世紀中葉開始用于制備陶瓷和玻璃等無機材料[54]，具有制備工藝簡單、合成溫度低、結構多樣、可對各種組分進行化學修飾或包埋和機械穩定性好等優點，被廣泛應用于各個領域。用于制備溶膠-凝膠材料的分子前驅體主要由金屬或類金屬元素組成，同時周圍有不同配體。其中，硅氧烷作為溶膠凝膠SiO2涂層的原料，是應用最廣泛的前驅體之一。其Si—O—Si網絡的形成主要通過水解(式(1))和縮合(式(2)和式(3))過程實現：

≡Si—OR+H2O→≡Si—OH+ROH

(1)

≡Si—OH+≡Si—OH→≡Si—O—Si+H2O

(2)

≡Si—OR+≡Si—OH→≡Si—O—Si+ROH

(3)

另外，基于硅氧烷聚合物衍生的陶瓷、玻璃種類繁多，還包括SiOC[55]、SiON[56]和SiAlOC[57]等材料，在耐磨性、導電性、高溫穩定性和高溫抗蠕變性能等方面都有各自顯著的優勢。如Bik等[55]以CH3Si(OC2H5)3和(CH3)2Si(OC2H5)2為前驅體，通過浸涂和熱處理技術結合在Ti-48Al合金表面制備了一種新型的SiOC涂層。該涂層可在一定程度上提高合金的服役性能，在800 ℃下氧化100 h后涂層試樣的質量增重比無涂層試樣低近一個數量級。此外，當SiOC涂層內碳飽和到一定程度，而碳離子不能再融入玻璃網絡時，就開始形成 “自由碳相”，這為制備功能防護涂層奠定了一定基礎[58, 59]。

通常，在含硅氧烷前驅體的溶膠凝膠體系中，室溫下通過浸涂、旋涂和電沉積等方法可制備SiO2涂層，下面分別介紹通過以上3種方法在TiAl合金表面制備SiO2防護涂層的基本原理和研究進展。

2.2.1 浸涂SiO2涂層

浸涂法是應用最廣泛和最古老的商用涂層制造工藝[60]，直接將預處理好的基體置于前驅體中浸泡一段時間后取出，經干燥、固化即可獲得目標涂層，具有工藝簡便、生產效率高、對試樣尺寸和形狀無要求、容易實現機械化生產等優點。Taniguchi等[44]嘗試通過浸涂法來制備SiO2膜層，以提高TiAl合金的抗氧化性能。這是首次將SiO2涂層用于TiAl合金高溫防護的報道。結果表明，厚度為～0.2 μm的SiO2涂層顯著提高了TiAl合金在827和927 ℃下的抗氧化性能，而在1027 ℃下僅提供了有限的初期抗氧化能力。這是因為在827和927 ℃下，SiO2涂層阻礙了氧氣的向內擴散，促進了內層Al2O3保護層的形成，而在1027 ℃下，由于氧氣的擴散速度增加，氧化物持續生長，破壞了SiO2涂層的結構，根本原因是傳統浸涂法制備的SiO2涂層厚度受限，易發生開裂和脫落，制約了其在更高溫度下的應用。Zhang等[45]通過浸涂法在Ti-22Al-26Nb合金上制備了SiO2涂層。該涂層在800 ℃下顯著提升了Ti-22Al-26Nb合金的抗高溫氧化性能，降低了氧氣在氧化膜中的擴散速率，抑制了氧化物的生長，減輕了氧化膜的剝落和開裂現象。但實際上該浸涂SiO2涂層在900 ℃下的防護性能非常有限，防護前后合金的氧化增重在同一個數量級上。

研究發現，在溶膠-凝膠前驅體中引入合適的表面活性劑可有效提高涂層厚度。Zhu等[61]向Si(OC2H5)4前驅體中加入適量十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)，采用浸涂法在Ti-6Al-4V上制備了厚度為5 μm的非晶態SiO2涂層。由于SiO2的結晶和CTAB的蒸發，在高溫氧化過程中，衍生的SiO2涂層厚度收縮到原厚度的大約1/4。SiO2涂層試樣上的氧化膜呈多層結構，由表面至基體依次為Al2O3和少量TiO2組成的薄層、SiO2層、較厚的TiO2層以及較薄的Al2O3層。作者認為，金屬的向外擴散和氧的向內擴散共同控制了多層氧化膜的生長。此浸涂SiO2層具有更大的厚度，且有效提高了基體的抗高溫氧化性能。因此，基于相同的原理，通過引入表面活性劑增加TiAl合金表面浸涂SiO2涂層的厚度具有一定的可行性。

2.2.2 旋涂SiO2涂層

旋涂法是指將預水解的溶膠滴于基體表面，通過離心作用使溶膠均勻地鋪展在基體表面，進一步經過后處理和固化得到溶膠凝膠涂層的方法。該方法具有以下3個優點：① 制備的涂層具有均勻的厚度；② 溶膠粘度與基材無關；③ 通過調節旋轉速度和前驅體黏度可控制薄膜厚度。

Liang等[45]以Si(OC2H5)4為前驅體，采用旋涂法在Ti-48Al合金表面制備了SiO2涂層，然后將試樣包埋在活性炭中在1000 ℃下進行后續熱處理。該涂層在高溫下顯示出較好的防護性能。Liang等認為氧化膜中,低氧分壓促進了SiO2/TiAl合金界面處Al2O3的形成，導致從涂層表面到涂層內部依次形成SiO2層、Al2O3層、TixSiy(Ti5Si3、Ti5Si4和TiSi2)層。涂層的阻擋效應有效地阻止了原子或離子在高溫下的擴散，使合金在900 ℃下具有良好的抗循環氧化性能。但需要注意的是，該氧化膜上存在明顯的裂紋(如圖1)。此外，旋涂法只適用于平坦的表面，同時很難在尺寸較大的基體上制備涂層。且旋涂法對材料的利用率低，一般來說，只有2%～5%的溶膠可在基體上成膜，而剩余的95%～98%被拋出并處理[62]。

圖1 旋涂法制備的SiO2涂層900 ℃下循環氧化240 h后的表面形貌SEM照片[45]Fig.1 SEM image of surface morphology of the coated TiAl-based alloy after cyclic oxidation at 900 ℃ for 240 h[45]

2.2.3 電沉積SiO2涂層

溶膠凝膠SiO2涂層的抗氧化性能不僅取決于其固有特性，還與涂層厚度和涂層與基體之間的結合力有關。通常，厚度較薄的涂層無法有效阻止氧氣和其他腐蝕介質的向內擴散，僅能在一定程度上改善合金的抗氧化性能。而基于傳統方法制備的溶膠凝膠涂層，由于缺乏成膜的驅動力，厚度往往難以達到要求。盡管通過多次浸涂和旋涂可增加涂層的厚度[44-46]，但是由于涂層與合金基體之間的結合較差，所得的涂層充滿裂紋，容易從基體上剝落。因此，傳統溶膠凝膠法制備的涂層長期抗高溫氧化性能遠遠不能令人滿意。在條件更嚴苛的循環氧化服役環境中，這個問題更加突出。直接降低或提高硅烷溶液的pH值以增強短期成膜能力，可在一定程度上提高SiO2涂層的厚度，但這會嚴重降低硅烷溶液的使用壽命。為解決上述問題，基于“局部堿化”機理的電化學輔助沉積(通常也稱為電沉積)技術應運而生[63]。

1999年，Mandler等[63]首次采用陰極電沉積法制備了甲基三甲氧基硅烷(MTMS)薄膜并提出了“局部堿化”機理：利用OH-離子對硅烷縮聚反應顯著的催化作用，在基體上施加一定的陰極電位/電流，使溶液中某些活性組分，如H2O、O2等接受電子還原為OH-離子，實現基體表面“堿化”，從而促進成膜；同時由于陽極產生了等量H+，因而并不影響溶液整體pH，故溶液仍具有良好的穩定性。基體表面發生的反應如式(4)和式(5)所示：

O2+4e-+2H2O→4OH-

(4)

2H2O+2e-→2OH-+H2

(5)

2003年，Collinson等[64]首次采用電沉積技術制備了無機SiO2涂層。與傳統溶膠凝膠工藝制備的SiO2涂層相比，電沉積法制備的SiO2涂層厚度更厚且可控，與基體具有良好的結合力，通過調節電沉積參數如施加電位、電流密度和電沉積時間，可有效調控SiO2涂層的性能。

2018年，作者課題組提出用電沉積技術在TiAl合金上制備無機SiO2涂層，以提高其抗高溫氧化性能[47]。基于電沉積SiO2涂層厚度可控的優勢，通過改變電沉積時間和電流密度制備了厚度為2～11 μm的SiO2涂層。隨著電沉積時間的延長和/或電流密度的增大，生成的氧化膜越致密，TiAl合金的抗氧化性能越好。在900 ℃氧化100 h后，電沉積SiO2涂層沒有發生開裂和剝落現象，氧化增重僅為0.16 mg·cm-2，而裸TiAl合金氧化嚴重，氧化增重達30.64 mg·cm-2。在高溫氧化過程中，由于電沉積SiO2涂層與TiAl基體之間的界面反應，生成了富含Al2O3和Si元素的過渡層。由SiO2、α-Al2O3、Ti5Si3、Ti3Al和Ti5Al3O2組成的玻璃狀氧化膜可以有效地阻止氧氣的向內擴散(如圖2)。此外，電沉積SiO2涂層也顯著改善了Ti-6Al-4V的抗高溫氧化性能，有效降低了Ti-6Al-4V在700 ℃下的氧化速率，最終形成了由SiO2和Ti5Si3組成的氧化膜[65]。

圖2 電沉積SiO2涂層在900 ℃氧化100 h后涂層/合金界面的TEM照片(a)、元素線掃描圖譜(b)和元素面掃描圖譜(c)；Al2O3、Ti5Si3和Ti5Al3O2的高分辨TEM照片和選區電子衍射圖譜分別取自圖2a中標記為a1、a2和a3的區域[47]Fig.2 TEM image (a), elements line scan (b), and elements mapping (Ti, Si, O and Al) (c) of the interface region between the electrodeposited SiO2 film and the TiAl after oxidation at 900 ℃ for 100 h; the high-resolution TEM images and selected area electron diffractions of Al2O3, Ti5Si3 and Ti5Al3O2 were taken from the areas marked as a1, a2, and a3 in Fig.2a, respectively[47]

然而，在實際應用中，材料的服役環境更加復雜。在合金服役過程中，一些鹽可能堆積在合金表面，加速材料在高溫下的劣化[66-68]，這種現象就是所謂的“熱腐蝕”現象[69]。Na2SO4/K2SO4和NaCl是最常見的加速高溫腐蝕的鹽。NaCl主要來源于海水上的氣溶膠，而Na2SO4/K2SO4由燃燒氣體中的NaCl和SO2反應生成。由于飛機經常在海洋上空飛行，TiAl合金同樣面臨高溫熱腐蝕的惡劣環境。因此，作者課題組研究了電沉積SiO2涂層防護下TiAl合金的抗熱腐蝕性能[70]。結果表明，在700 ℃混合鹽環境(75% Na2SO4+25% NaCl，質量分數)中熱腐蝕100 h后，電沉積SiO2涂層內出現了Na2Si4O9和方石英相，共同形成了致密的保護膜，阻礙了Ti的向外擴散和腐蝕介質的向內擴散，有效提高了TiAl合金的抗熱腐蝕能力(如圖3)。除了阻礙腐蝕介質內擴散的作用外，電沉積SiO2涂層還降低了氧化膜/基體界面的氧分壓，促進Al選擇性氧化形成Al2O3層，進一步提高了熱腐蝕氧化膜的防護性能。

圖3 電沉積SiO2涂層在700 ℃混合鹽環境中熱腐蝕100 h后的截面SEM照片(a)、元素線掃描圖譜(b)和元素面掃描圖譜(c)[70]Fig.3 Cross-sectional SEM image (a), corresponding elements depth profiles (b) and distribution maps (c) of Al, Ti, Si, O, Na, S, and Cl for SiO2 coating after hot corrosion in the mixture salt environment at 700 ℃ for 100 h[70]

3 TiAl合金表面SiO2復合防護涂層

為了進一步提高SiO2涂層的抗高溫氧化性能，作者課題組從涂層界面結構強化和涂層本體增強2方面著手，開發了SiO2復合防護涂層。

3.1 基于磁控濺射金屬Al和電沉積SiO2制備Al-SiO2復合涂層

研究表明，滲鋁可顯著提高TiAl合金的抗高溫氧化性能[71-73]。在滲鋁過程中或隨后的熱處理過程中生成富鋁的TiAlx層，有利于在合金表面進一步形成保護性的Al2O3層。然而，TiAlx層脆性較大，易從基體剝落。此外，當直接暴露在高溫氧化氣氛中時，鋁化物涂層的快速消耗會導致明顯的鋁損耗。最近，作者課題組提出采用兩步法在TiAl合金表面制備Al-SiO2復合涂層[48]。首先，磁控濺射鋁涂層并進行互擴散處理，獲得鋁化物涂層，隨后在鋁化物涂層上電沉積SiO2涂層，構建Al-SiO2復合涂層，并研究該復合涂層在900 ℃下的氧化行為。在900 ℃氧化100 h后，Al-SiO2復合涂層下形成了致密的Al2O3層。Al2O3層與合金的界面反應生成了由Ti5Si3和Al2O3組成的保護層，而不是亞穩態的Ti5Al3O2。因此，由外向內形成了SiO2+Al2O3、Al2O3、Ti5Si3+Al2O3組成的多層氧化膜。此外，致密Al2O3膜的形成可以使基體內的溶解氧減少，使合金保持良好的力學性能。

3.2 基于包埋滲金屬Al和電沉積SiO2制備Al-SiO2復合涂層

包埋滲鋁法工藝相對簡單，被廣泛用于高溫防護領域[74-76]。由于在高溫氧化過程中,包埋滲鋁層表面可形成連續的Al2O3層，因此，可有效提高TiAl合金高溫服役性能。基于此，作者課題組提出在TiAl合金表面采用包埋滲鋁和電沉積SiO2結合的方法制備Al-SiO2復合涂層[49]。厚度可控的SiO2涂層可以有效阻止玻璃方石英生成時氧的向內擴散。鋁化物涂層作為鋁源，可以提供足夠的鋁與向內擴散的氧反應，形成保護性的Al2O3層。與單一SiO2涂層相比，經1000 ℃氧化100 h后，Al-SiO2復合涂層氧化增重明顯下降且形成多層氧化膜。但是涂層與合金之間的中間層存在Kirkendall孔洞。因此，應采取進一步措施抑制Ti和Al向外擴散，從而提高合金的抗氧化性能。

3.3 電沉積SiO2作為中間層制備復合涂層

在高溫氧化領域，除了需要具有較好的熱穩定性外，涂層與基體之間的結合力也十分重要。通過化學蝕刻和噴砂增加基體粗糙度是改善涂層附著力的常用策略。而在頂層保護層和基體之間引入附著力好的中間層也是一個很好的選擇。電沉積SiO2涂層與基體的結合較好[77]，且具有“自愈合”的特性[47]，將電沉積SiO2涂層作為中間層可以起到界面強化作用。

3.3.1 以電沉積SiO2為中間層結合料漿法制備SiO2-Al復合涂層

通過漿料法制備的鋁化物涂層成本低、操作簡單，但是均勻性較差，在高溫氧化過程中，易發生元素互擴散而失效。因此，作者課題組通過制備電沉積SiO2中間層降低鋁化物涂層的不均勻性，阻礙鋁化物涂層中鋁元素的內擴散和基體元素的外擴散[50]。結果表明，在1000 ℃氧化100 h后，鋁化物涂層與基體之間互擴散現象嚴重，存在大量的裂紋；而Al-SiO2復合涂層增重顯著降低，且表面形貌基本保持不變，未觀察到裂紋等缺陷。

3.3.2 以電沉積SiO2為中間層制備玻璃陶瓷復合涂層

玻璃陶瓷涂層由于結構致密、熱穩定性好，是理想的高溫防護涂層，但其在服役過程中，涂層與基體的互擴散較嚴重，導致涂層通常從界面失穩。為此，作者課題組提出利用電沉積SiO2作為中間層，在其表面空氣噴涂硅酸鹽玻璃陶瓷涂層，以提高TiAl合金在1000 ℃下的抗高溫氧化性能[51]。SiO2涂層與硅酸鹽玻璃陶瓷涂層的主要成分一致，相容性好，且硅酸鹽中的K2O組分可溶解部分SiO2，起到強化涂層本體結構的作用。結果表明，1000 ℃氧化100 h后，該復合涂層保護下的TiAl合金氧化增重明顯降低。在高溫氧化過程中，電沉積SiO2中間層溶解到硅酸鹽玻璃陶瓷涂層中，降低了涂層的流動性，從而強化了涂層結構，提高了涂層的附著力和致密度。900 ℃熱處理10 h后，由于硅酸鹽玻璃陶瓷涂層與TiAl基體之間的互擴散，導致涂層/TiAl基體界面產生許多Kirkendall孔洞(如圖4a)，降低了玻璃陶瓷涂層與基體之間的附著力，導致涂層從局部剝落；然而，在引入電沉積SiO2中間層制備的復合涂層中，涂層/基體界面未發現明顯的Kirkendall孔洞(如圖4b)。這主要是由于SiO2中間層有效抑制了玻璃陶瓷與TiAl合金基體之間的元素互擴散。此外，復合涂層有效地抑制了氧的向內擴散，降低了涂層/基體界面的氧分壓，導致Al選擇性氧化為Al2O3，同時抑制了氮化物的形成，顯著提高了TiAl合金的抗氧化性能。

圖4 在900 ℃下燒結10 h后，硅酸鹽涂層(a)和復合涂層(b)分別與基體界面的SEM背散射電子成像照片[51]Fig.4 SEM images (backscattered electron imaging) of the interface of the glass-ceramic coating/alloy (a) and composite coating/alloy (b) after sintered at 900 ℃ for 10 h[51]

3.3.3 電沉積SiO2為中間層制備顆粒增強的玻璃陶瓷復合涂層

改變硅酸鹽玻璃陶瓷涂層前驅體的組分可有效調控涂層的結構與性能。8YSZ(質量分數8.0%Y2O3穩定的ZrO2)因其熔點高、熱穩定性和斷裂韌性好而被廣泛用作熱障涂層材料，而ZrB2也被廣泛用于強化防護涂層的結構。因此，倘若在硅酸鹽玻璃陶瓷涂層中引入8YSZ和ZrB2作為結構增強相，同時以電沉積SiO2涂層作為中間層強化玻璃陶瓷涂層/TiAl合金界面結構，進而改善復合涂層的防護性能[52]。實驗結果表明，復合涂層顯著提高了TiAl合金的抗高溫氧化性能，在1000 ℃氧化200 h后，氧化增重明顯降低。8YSZ促進了涂層結構致密化，而ZrB2消耗了內擴散的氧氣，有利于界面缺陷的愈合。SiO2與硅酸鹽玻璃陶瓷涂層具有良好的相容性，提高了玻璃陶瓷涂層的附著力，阻礙了空氣中氧的內擴散和TiAl合金基體中Ti和Al的外擴散。

4 結 語

在表面改性技術中，施加保護涂層是提高TiAl合金抗高溫氧化性能最常用、最有效的方法。SiO2涂層由于具有結構致密、熱穩定好、耐磨性好、原料易獲得等優點，被廣泛用于改善TiAl合金的抗高溫氧化性能。不同制備方法對SiO2涂層高溫氧化前后的結構和性能有著極大的影響。磁控濺射SiO2涂層對基體損傷小、與基體結合良好，但是厚度不足，且高溫氧化后存在孔洞，涂層壽命不高。溶膠凝膠SiO2涂層制備工藝簡單、合成溫度低、結構多樣、可對各種組分進行化學修飾或包埋、機械穩定性強。傳統的溶膠凝膠法有浸涂、噴涂、旋涂等，但是這些常規方法由于成膜動力較低，制備的SiO2涂層厚度較低，易發生開裂和剝落現象，限制了涂層的抗高溫氧化能力。基于“局部堿化”原理的電沉積技術通過陰極反應生成的OH-催化硅氧烷在基體表面成膜，可制備厚度更厚、與基體存在化學鍵合的SiO2涂層。該涂層在高溫氧化過程中可形成(SiO2-Al2O3-Ti5Si3-Ti5Al3O2)多道防護層體系，顯著提高合金的抗高溫氧化性能。

構筑SiO2復合涂層是改善純SiO2涂層結構單一、涂層與TiAl合金基體熱膨脹系數差異較大、在長期高溫環境服役時界面易失穩等問題的有效途徑。在涂層/合金之間引入與涂層和合金基體具有良好的結合力和相容性的中間層是一種行之有效的措施。基于磁控濺射和包埋滲技術制備的金屬鋁具有與基體結合力強、導電性好等優點，可直接在其表面電沉積制備SiO2涂層，通過熱處理可獲得梯度結構涂層，促進高溫氧化過程中涂層/基體界面處形成Al2O3膜，進而提高SiO2涂層的防護性能。另外，電沉積SiO2涂層作為中間層與基體結合良好，和硅酸鹽玻璃陶瓷涂層有良好的相容性，其衍生的復合涂層也具有顯著的抗高溫氧化性能。

盡管基于涂層/合金界面調控引入的中間層和涂層本體結構強化制備的復合涂層顯著提高了SiO2涂層的高溫服役性能，但涂層的綜合性能仍有待進一步增強，如力學性能和抗高溫氧化性能仍有較大改善空間。需要指出的是，涂層防護性能與其服役環境密切相關，為了提高SiO2涂層的綜合性能，應根據其具體服役環境，針對性地進行涂層成分設計，調控涂層熱膨脹系數和組織結構。不僅如此，在關注涂層抗高溫氧化性能的同時，也應該重視涂層自身的耐磨性和韌性等力學性能。此外，傳統的表征方法會破壞氧化膜的結構，且大多數為非原位觀測，未來涂層結構表征過程中應更加重視使用無損和原位的手段來確定高溫環境下界面結構和成分的演變，這對理解涂層防護機制和失效機理，進而構筑高性能防護涂層具有重要意義。