富铝CMAS对稀土硅酸盐环境障涂层的腐蚀行为与机制研究
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
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。
| EDS/(%, in atom) | Gd | Y | Er | Si | O | Ca | Al | Mg | | Point 1 | 19.21 | — | —- | 11.70 | 60.65 | 8.44 | — | — | | Point 2 | 1.16 | — | — | 13.06 | 59.37 | 13.78 | 10.18 | 2.45 | | Point 3 | — | 15.29 | — | 16.00 | 61.82 | 6.89 | — | — | | Point 4 | — | 7.18 | — | 15.50 | 50.17 | 9.58 | 12.14 | 5.43 | | Point 5 | — | 0.96 | — | 13.56 | 59.62 | 13.03 | 10.40 | 2.42 | | Point 6 | — | — | 20.27 | 12.11 | 61.12 | 6.50 | — | — | | Point 7 | — | — | 8.70 | 10.95 | 59.15 | 8.09 | 10.95 | 4.65 | | Point 8 | — | — | 0.92 | 3.29 | 58.74 | 19.61 | 3.29 | 2.07 |
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表4
中标记区域的EDS元素组成
正文中引用本图/表的段落
图3为X1-Gd2SiO5、X2-Y2SiO5和X2-Er2SiO5涂层经CMAS腐蚀4 和25 h后的表面形貌, 由图可知, 腐蚀4 h后, 三种涂层表面均残留较多的CMAS熔体, 其中X1-Gd2SiO5和X2-Y2SiO5涂层经腐蚀后有棒状晶粒析出, 而X2-Er2SiO5涂层表面不仅析出了棒状颗粒，还生成了块状颗粒。腐蚀25 h后, 可以发现涂层表面没有明显的残余CMAS熔体, 三种涂层表面都生成了较多的棒状颗粒, 而X2- Er2SiO5涂层表面还存在明显的大块状颗粒。表3为三种涂层经CMAS腐蚀25 h后表面的EDS结果, 由此可以确定, 棒状颗粒的组成为磷灰石相, 而块状颗粒为石榴石相。
图4为RE2SiO5(RE=Gd, Y, Er)涂层在1400 ℃空气环境中CMAS腐蚀4 h后的截面形貌, 其不同衬度区域的EDS表征结果见表4。可以发现, 对于X1-Gd2SiO5涂层, 截面腐蚀区域仅有两种不同衬度(点1、2), 结合EDS结果可以推断这两种衬度所对应的物相分别为Ca2Gd8(SiO4)6O2(点1)以及残余CMAS(点2)。对于X2-Y2SiO5和X2-Er2SiO5涂层, 截面中除了反应生成的磷灰石相Ca2RE8(SiO4)O2(点3、6)以及残余CMAS(点5、8), 还存在块状的石榴石相(点4、7)。石榴石相中含有Ca、Si、Mg等元素可能是由于Er与Ca的离子半径相近, Mg、Si则与Al的离子半径相近, 在CMAS与涂层发生反应析出磷灰石相的同时, 熔体中的Mg、Al元素富集, 导致析出的石榴石相化学式为(Ca,RE)3(Mg,Al)2(Si,Al)3O12, 而非标准的RE3Al5O12[26]。根据腐蚀4 h后的三种涂层的截面形貌, 可以推测RE2SiO5(RE=Gd, Y和Er)涂层在腐蚀过程中溶解于CMAS熔体中, 三种涂层与CMAS反应析出Ca2RE8(SiO4)O2晶粒, 堆积在涂层与CMAS的界面处, 部分晶粒分散于熔体中。此外, 对于X2-RE2SiO5(RE=Y, Er), 在反应过程中还析出了RE3Al5O12石榴石晶粒, 且X2-Er2SiO5涂层生成的石榴石相明显较多, 这与XRD和表面形貌的分析结果一致。
本文的其它图/表
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