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

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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。

X1-Gd₂SiO₅、X2-RE₂SiO₅(RE=Y, Er)涂层的CMAS腐蚀示意图如图6所示。一般来说, RE₂SiO₅与CMAS熔体的反应主要包括三个步骤[26]：首先, RE₂SiO₅在高温环境下溶解到CMAS熔体中；接着, 当稀土氧化物在熔体中溶解达到饱和时, 磷灰石相开始结晶沉淀；最后, CMAS熔体完全消耗或者残余的CMAS熔体与未溶解的RE₂SiO₅达到平衡。此外, RE₂SiO₅涂层中的RE₂O₃第二相会与CMAS熔体反应, 生成磷灰石相(反应式2、3、5)或石榴石相(反应式6), RE₂SiO₅涂层的溶解以及磷灰石相和石榴石相的析出消耗了CMAS中的CaO、SiO₂和Al₂O₃, 导致熔体逐渐减少。