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原文DOI：10.15541/jim20240411
引用本文：
LIANG R H, ZHONG X, HONG D, et al. High-temperature Water Vapor Corrosion Behaviors of Environmental Barrier Coatings with Yb2O3-Modified Silicon Bond Layer. J. Inorg. Mater., DOI: 10.15541/jim20240411.
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本工作设计并制备了以不同Yb2O3掺杂量的Si为黏结层的(Si-xYb2O3)/Yb2Si2O7/Yb2SiO5环境障涂层体系，研究了1350 ℃水氧腐蚀环境中涂层的腐蚀行为与耐蚀机制。明确了Si-xYb2O3黏结层氧化过程、物相组成、结构演化特征，并阐述了Si黏结层中Yb2O3掺杂量对EBC涂层体系耐高温水氧腐蚀性能的作用机理。研究发现，掺杂少量(5%)的Yb2O3可提高黏结层mTGO层的稳定性；随着Yb2O3掺杂量提高，黏结层中Yb2O3相互联结并为氧化性物质扩散提供直接通道，导致涂层体系的高温耐蚀性能下降。
研究背景
环境障涂层(EBC)是应用于新一代高推重比航空发动机热端部件的重要材料。然而，在高温服役过程中，其中的Si黏结层易发生氧化生成SiO2热生长氧化物(TGO)，SiO2在热循环过程中的物相转变导致TGO出现裂纹，从而加速涂层失效，严重影响EBC的服役寿命。因此，针对EBC体系服役过程中黏结层的开裂问题，进行涂层改性设计，减少裂纹萌生，对强化其耐久性具有重要意义。
本文亮点
将适量的稀土氧化物(Yb2O3)引入黏粘结层中，改善SiO2的阻氧性能；Yb2O3可部分消耗TGO层中的SiO2，减少SiO2相变导致的裂纹萌生，实现提高结构稳定性的目标；反应生的Yb2Si2O7与(Si-Yb2O3)/Yb2Si2O7/Yb2SiO5多层EBC体系的中间层一致，化学相容性好，可进一步改善涂层体系的耐久性。
图文导读
Si-5%Yb2O3/Yb2Si2O7/Yb2SiO5涂层体系经1350 ℃水氧腐蚀后的截面微观形貌: (a-c) 100 h, (d-e) 200 h
本工作采用真空等离子喷涂技术制备了五种EBCs体系(Si-xYb2O3)/Yb2Si2O7/Yb2SiO5(x=0%、5%、10%、15%、20%，体积分数)，并研究其在1350 ℃下耐水氧腐蚀行为和机理。Si-5%Yb2O3/Yb2Si2O7/Yb2SiO5涂层体系经1350 ℃水氧腐蚀100 h后，涂层的层间及其与基体之间结合良好。黏结层表面形成不连续的mTGO层，内部几乎不存在裂纹，EDS面扫结果可以发现黏结层内部并未发生氧化现象。腐蚀时间增加至200 h，涂层体系之间仍结合良好，黏结层上的mTGO层结构致密，没有出现界面裂纹。说明掺杂适量的Yb2O3能有效减少mTGO层中裂纹的生成。
腐蚀性物质在Si-xYb2O3涂层中扩散行为示意图
随着Yb2O3掺杂含量增大(15%、20%)，黏结层内Yb2O3会相互联结形成“骨架结构”，氧化性介质沿着Yb2O3“骨架”向内部扩散。氧化反应生成SiO2或Si(OH)4，且Si(OH)4挥发会形成孔洞。而低Yb2O3掺杂量(5%、10%)的黏结层中，氧化性介质与Si反应生成SiO2或Si(OH)4，然后再与Yb2O3反应生成Yb2SiO5和Yb2Si2O7，最后形成mTGO层。黏结层中低Yb2O3掺杂量并不会形成Yb2O3骨架结构。同时，mTGO层的形成也会抑制氧化性物质向涂层内部的扩散。
总结与展望
本研究提出在硅黏结层中掺杂Yb2O3来缓解高温水氧环境下涂层开裂的问题，并提高其耐高温水氧腐蚀性能。结果表明，掺杂少量的Yb2O3能提高黏结层mTGO层的稳定性。在Si黏结层中掺杂体积分数5%的Yb2O3后，可以通过反应消耗SiO2，抑制mTGO层中裂纹的萌生，从而提高mTGO层的结构稳定性。然而，过量掺杂Yb2O3会导致涂层的耐水氧腐蚀性能下降。本研究可为Si黏结层的改性和环境障涂层的设计提供参考。
同行评议
文章对比不同含量Yb2O3掺杂Si粘结层的水氧腐蚀情况，探究Yb2O3改性Si粘结层的可行性。工作内容系统、表征较全面、讨论较合理，研究结果具有一定的创新性，对于环境障涂层领域有较好的指导意义。
作者简介
通讯作者：郑学斌，材料学博士，研究员，博导。主要从事航天航空用高温防护涂层材料与生物医用涂层材料研究。先后承担国家自然科学基金委、科技部、中国科学院、上海市与国家部委重点科研项目三十余项，发表学术论文300余篇。
通讯作者：钟鑫，博士，副研究员。主要从事高温防护涂层的设计、制备与防护机制研究。先后承担了国家自然科学基金青年项目、上海市科委面上项目、“扬帆计划”等多项科研项目；以第一/共同通讯作者发表论文30余篇。
第一作者：梁锐辉，硕士研究生。主要从事环境障涂层的设计、制备与性能研究，目前以第一作者身份发表学术论文5篇。
期刊介绍
《无机材料学报》创刊于 1986 年，由中国科学院上海硅酸盐研究所主办，主要报道内容包括结构陶瓷材料、信息功能材料、能源与环境材料、生物材料等方面的最新研究成果 , 设有研究论文、研究快报(英文)、综述、观点评述、研究亮点和科技进展版块，目前已被SCI-E、EI、Scopus、CA、CSTPCD、CSCD、CNKI、CJCR等数据库收录，入选 “高质量科技期刊分级目录——材料科学-综合类”T1区和“无机非金属领域高质量科技期刊分级目录” T1区期刊。
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