范栋, 钟鑫, 王亚文, 张振忠, 牛亚然, 李其连, 张乐, 郑学斌

无机材料学报 2023, 38 (5): 544-552. DOI:10.15541/jim20220532

摘要（518）

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稀土硅酸盐环境障涂层(EBCs)有望应用于新一代高推重比航空发动机热端部件, 但是服役条件下的熔盐腐蚀成为限制其应用的瓶颈。CMAS组分和稀土硅酸盐的晶体结构等因素对其腐蚀行为产生显著影响。本工作以不同晶型的稀土硅酸盐涂层材料为研究对象, 采用大气等离子喷涂技术制备X1-Gd₂SiO₅、X2-RE₂SiO₅(RE=Y, Er)涂层, 并研究其在富Al₂O₃的CMAS熔盐环境(1400 ℃)的腐蚀行为与机制。结果表明, X2-RE₂SiO₅(RE=Y, Er)涂层耐蚀性能优于X1-Gd₂SiO₅涂层, 这与涂层材料的物相组成和晶体结构的稳定性等因素有关。经CMAS腐蚀25 h后, X1-Gd₂SiO₅涂层表面仅生成磷灰石相; X2-RE₂SiO₅涂层不仅生成磷灰石相, 涂层中的RE₂O₃还与CMAS中的Al₂O₃反应生成石榴石相。生成石榴石相可提高涂层表面CMAS中CaO、SiO₂的相对含量, 促进磷灰石致密层的生成, 从而改善其耐蚀性能。

图1为X1-Gd₂SiO₅、X2-Y₂SiO₅、X2-Er₂SiO₅粉体以及喷涂态涂层的XRD图谱, 可以发现, Er₂SiO₅和Y₂SiO₅粉体的衍射峰与RE₂SiO₅吻合。Gd₂SiO₅粉体主要由Gd₂SiO₅相组成, 并含有少量Gd_9.33(SiO₄)₆O₂(图2(a))。在Gd₂O₃-SiO₂二元系统中除了含有常见的Gd₂SiO₅(2:1)和Gd₂Si₂O₇(1:1), 还包含磷灰石结构的Gd_9.33(SiO₄)₆O₂相, 在高温(≥1000 ℃)下, 与半径较小的RE3+稀土元素相比, 半径较大的RE3+稀土元素倾向于生成RE_9.33(SiO₄)₆O₂相。因此, Y₂SiO₅和Er₂SiO₅粉体未生成RE_9.33(SiO₄)₆O₂相, 而Gd₂SiO₅粉体中生成了少量Gd_9.33(SiO₄)₆O₂相[23-24]。与粉体相比, 三种喷涂态涂层中不仅存在RE₂SiO₅相, 还发现了对应的RE₂O₃相和非晶相。RE₂O₃相是由喷涂过程中稀土硅酸盐分解而形成, 非晶相则是由粉体在等离子火焰中熔化, 然后迅速冷却导致部分晶粒未能成核和生长而形成[25]。前期研究表明, X1-Gd₂SiO₅、X2-Y₂SiO₅与X2-Er₂SiO₅涂层中非晶相含量分别为56%、35%和48%，稀土氧化物第二相含量分别为14.58%、9.44%和15.96% [17]。

图S2(a, c, e)为三种喷涂态涂层的表面形貌, 可以发现涂层由熔融良好的颗粒堆叠而成, 同时含有少量微裂纹和气孔等缺陷。图S2(b, d, f)显示了三种喷涂态涂层的截面形貌, 可以看出, 涂层呈致密的层状结构, 含有少量孔隙和微裂纹。截面形貌中衬度不同的区域主要是由喷涂过程中Si挥发程度不同而形成。X1-Gd₂SiO₅、X2-Y₂SiO₅和X2-Er₂SiO₅涂层的孔隙率分别约为2.9%、3.8%和3.2%。

X1-Gd₂SiO₅、X2-Y₂SiO₅和X2-Er₂SiO₅涂层经CMAS腐蚀后的XRD图谱如图2所示, 可以发现, X1-Gd₂SiO₅涂层腐蚀4和25 h后均生成磷灰石相Ca₂Gd₈(SiO₄)₆O₂; X2-Y₂SiO₅腐蚀4 h后生成磷灰石相Ca₂Y₈(SiO₄)₆O₂, 但腐蚀25 h后生成了石榴石相Y₃Al₅O₁₂; X2-Er₂SiO₅涂层腐蚀4和25 h后均生成了磷灰石相和石榴石相。