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5(a)为X1-Gd₂SiO₅涂层在1400 ℃环境中腐蚀25 h后的截面形貌, 可以发现, 腐蚀25 h后涂层表面形成了约为120 μm的腐蚀层, 其表面涂覆的CMAS消耗殆尽。在腐蚀层中存在灰色(点1)和黑色(点2)两种不同衬度的区域, 结合EDS结果(表5)可知, 两区域的成分分别为磷灰石相Ca₂Gd₈(SiO₄)₆O₂和残余CMAS熔体。根据元素面扫结果可以看出, 腐蚀层中的Al元素富集于残余CMAS熔体中, 且未与涂层发生反应。

图5(b, c)分别为X2-RE₂SiO₅(RE=Y, Er)涂层在1400 ℃空气环境中CMAS腐蚀25 h后的截面形貌, 腐蚀层中不同衬度区域的EDS分析结果见表5。可以发现, 腐蚀25 h后Y₂SiO₅和Er₂SiO₅两种涂层上方都形成了致密的腐蚀层, 且厚度相差较小, 分别约为33 和37 μm, 表面均无明显残余CMAS。根据EDS分析结果, Y₂SiO₅的腐蚀层由磷灰石相(点3)、石榴石相(点4)以及极少的残余CMAS(点5)组成; Er₂SiO₅的腐蚀层由磷灰石相(点6)和石榴石相(点7)组成, 在腐蚀层中未发现残余CMAS, 石榴石相比Y₂SiO₅涂层更明显。与X1-Gd₂SiO₅涂层不同的是, 根据元素面扫分析发现，两种X2-RE₂SiO₅涂层的Al元素主要富集在RE₃Al₅O₁₂石榴石相中, 且腐蚀层中的残余CMAS明显少于Gd₂SiO₅。