【虚拟专辑】热障与环境障涂层(202409)

CMC-EBC损伤耦合机理及一体化设计研究进展

方光武, 谢浩元, 张华军, 高希光, 宋迎东

无机材料学报    2024, 39 (6): 647-661.

陶瓷基复合材料与环境障碍涂层组合(CMC-EBC)是目前航空航天领域最具应用前景的热结构材料体系。本文对CMC-EBC失效机理与分析模型的研究进展进行综述。首先, 简要回顾了CMC-EBC材料体系的发展及主要制备工艺。然后, 综述了CMC-EBC在服役环境下的主要损伤模式与失效机理, 总结发现CMC预制体结构、孔洞缺陷和EBC内裂纹等损伤演化相互影响, 这种细观损伤模式的耦合是决定其寿命的关键因素之一, 但目前的机理研究主要集中于涂层本身性能及其受环境因素的影响, 缺乏对涂层和复合材料编制结构在损伤演化过程中协同效应的考虑。接下来, 详细分析了CMC-EBC的失效模拟与预测模型研究的历史与现状, 指出其中存在的问题, 包括环境因素建模方法和损伤耦合演化模拟技术。目前大部分工作致力于分别开发CMC和EBC的失效模型, 而对于CMC-EBC构件的失效预测应考虑其损伤演化与微观结构之间的相互耦合影响。最后, 对CMC-EBC材料体系研发与服役性能预测方法进行了展望, 认为CMC本体和EBC失效模式相互耦合, 开展结构功能一体化设计和分析是CMC-EBC构件研究的趋势。

点击阅读全文

RE-Si-Al-O玻璃相对高熵稀土双硅酸盐微结构及耐CMAS腐蚀性能的影响

李刘媛, 黄开明, 赵秀艺, 刘会超, 王超

无机材料学报    2024, 39 (7): 793-802.

环境障涂层是高功重比航空发动机的关键技术, 其目的是阻挡燃气及环境腐蚀介质的侵蚀, 为陶瓷基复合材料热端部件提供有效保护。目前, 高熵稀土双硅酸盐((xRE1/x)2Si2O7)是最具潜力的新一代环境障涂层材料。为了进一步提升高熵稀土双硅酸盐的耐高温(1500 ℃)CMAS(CaO-MgO-Al2O3-SiO2)腐蚀能力, 本工作设计制备了一种新型高熵(Y0.25Yb0.25Er0.25Tm0.25)2Si2O7/RE-Si-Al-O(RE=Yb、Y、La)复相陶瓷。结果表明, 在复相陶瓷中, RE-Si-Al-O玻璃相不仅能够包裹陶瓷晶粒, 而且能够促进稀土双硅酸盐晶粒长大, 减少晶界数量, 使CMAS熔体的渗入通道数量减少。同时, 随着RE-Si-Al-O玻璃相中稀土离子半径增大, 玻璃相更易与CMAS熔盐中的Ca2+离子反应, 生成磷灰石相, 降低CMAS熔体的活性, 抑制高温CMAS熔盐对高熵稀土双硅酸盐晶粒的侵蚀, 从而提高高熵稀土双硅酸盐的耐高温CMAS腐蚀能力。在1500 ℃腐蚀48 h后, (Y0.25Yb0.25Er0.25Tm0.25)2Si2O7/La-Si-Al-O复相陶瓷表面仍残留CMAS熔盐层, 表明该复相陶瓷具有良好的耐高温CMAS腐蚀能力。该复相陶瓷的微结构设计为增强环境障涂层材料在高温CMAS环境下的长期应用提供了一种新的思路。

点击阅读全文

大气等离子喷涂Y₃Al₅O₁₂/Al₂O₃陶瓷涂层的CMAS腐蚀抗力

李捷, 罗志新, 崔阳, 张广珩, 孙鲁超, 王京阳

无机材料学报    2024, 39 (6): 671-680.

探索能够有效抵抗1300 ℃及以上温度钙镁铝硅酸盐(Calcium-Magnesium-Aluminum-Silicate, CMAS)腐蚀的新材料是近年来先进航空发动机用环境障涂层研究的重点任务。本工作围绕具有超强CMAS腐蚀抗力的YAG(Y3Al5O12)/Al2O3体系, 采用大气等离子喷涂(Atmospheric Plasma Spraying, APS)技术制备了具有共晶成分的YAG/Al2O3涂层。通过在1100、1300和1500 ℃对制备态涂层进行热处理, 获得了具有不同微观结构的YAG/Al2O3涂层。利用不同表征手段研究了YAG/Al2O3涂层抵抗1300 ℃ CMAS腐蚀的性能及微观结构对涂层腐蚀抗性的影响。研究结果发现, 经不同温度热处理的YAG/Al2O3涂层与CMAS的反应产物均为石榴石结构固溶体、CaAl2Si2O8和Ca2MgSi2O7。腐蚀机制研究发现, 1100 ℃热处理YAG/Al2O3涂层与CMAS反应界面的近连续分布石榴石固溶体层可有效阻隔CMAS腐蚀元素的扩散; 1500 ℃热处理YAG/Al2O3涂层晶粒尺寸的增加及晶界数量的减少可降低涂层材料在CMAS中的溶解速率, 二者均可通过影响腐蚀过程中的离子传输速率而影响各生成物的竞争析出, 进而提升涂层的CMAS腐蚀抗力。本工作为YAG/Al2O3涂层热处理工艺优化提供了借鉴, 并为通过微观结构优化调控YAG/Al2O3涂层的CMAS腐蚀抗力提供了新思路。

点击阅读全文

8YSZ陶瓷在模拟压水堆水环境中的耐腐蚀性能

范武刚, 曹雄, 周响, 李玲, 赵冠楠, 张兆泉

无机材料学报    2024, 39 (7): 803-809.

8%(摩尔分数)Y2O3稳定ZrO2(8YSZ)陶瓷具有优异的氧离子电导率和低热导率, 在燃料电池、热障涂层、隔热等领域都有重要应用。然而它作为压水堆的堆内隔热或结构材料, 在事故条件下的水腐蚀机制和耐腐蚀性能目前尚不明晰。本研究在350 ℃/17.4 MPa, 0.3 μg/L溶解氧(DO)的动水循环模拟压水堆水环境中, 系统考察了8YSZ陶瓷的质量、物相、显微结构、力学性能以及溶液成分随腐蚀时间的变化, 并探讨了腐蚀机制。研究发现8YSZ陶瓷的质量随腐蚀时间的延长先增大后减小, 并会受表面粗糙度的影响。增重归因于水分子进入陶瓷后形成了Zr-OH和Y-OH团簇, 而失重是由金属阳离子析出和晶粒溶解所导致的。物相分析显示立方结构的8YSZ腐蚀后未往四方相或单斜相转变, 这与四方相或部分稳定的氧化锆的相变失效不同。表面及断面形貌变化显示水分子可沿缺陷或微裂纹进入陶瓷内部, 破坏晶界, 使受腐蚀影响区域由穿晶断裂变为沿晶断裂。腐蚀前后8YSZ陶瓷的压缩强度和抗弯强度未明显改变, 而维氏硬度略有降低, 这与陶瓷表层形成的大量腐蚀坑有关。表面抛光样品腐蚀1050 h时的单位表面积的质量变化率为-0.108×10-3 mg∙cm-2∙h-1, 腐蚀坑深度仅为30.8 μm。这些结果表明8YSZ陶瓷具有优良的耐水腐蚀性能, 有望用于压水堆内的隔热或结构材料。

点击阅读全文

C/C复合材料高熵氧化物涂层抗烧蚀性能

郭凌翔, 唐颖, 黄世伟, 肖博澜, 夏东浩, 孙佳

无机材料学报    2024, 39 (1): 61-70.

新一代高超声速飞行器热端部件服役温度不断提高, 对表面防护涂层的相稳定性和抗烧蚀性能提出了更高的要求。本工作针对传统过渡金属氧化物ZrO2、HfO2涂层开展高熵化设计, 采用高温固相反应结合超音速大气等离子喷涂制备(Hf0.125Zr0.125Sm0.25Er0.25Y0.25)O2-δ(M1R3O)、(Hf0.2Zr0.2Sm0.2Er0.2Y0.2)O2-δ(M2R3O)、(Hf0.25Zr0.25Sm0.167Er0.167Y0.167)O2-δ(M3R3O)三种高熵氧化物涂层, 探究稀土组元含量对高熵氧化物涂层的相结构演变规律、相稳定性以及抗烧蚀性能的影响。M2R3O涂层和M3R3O涂层呈现优异的相稳定性和抗烧蚀性能, 涂层经热流密度为2.38~2.40 MW/m2的氧-乙炔焰烧蚀后仍保持物相结构稳定, 未发生固溶体分解或析出稀土组元。其中M2R3O涂层循环烧蚀180 s后的质量烧蚀率与线烧蚀率分别为0.01 mg/s和-1.16 μm/s, 相比M1R3O涂层(0.09 mg/s、-1.34 μm/s)以及M3R3O涂层(0.02 mg/s、-4.51 μm/s), 分别降低了88.9%、13.4%以及50.0%、74.3%, 表现出最优异的抗烧蚀性能。M2R3O涂层的抗烧蚀性能优异归因于其兼具较高的熔点(>2200 ℃)和较低的热导率((1.07±0.09) W/(m·K)), 使其有效防护内部的SiC过渡层以及C/C复合材料免受氧化损伤, 避免了界面SiO2相形成所导致的界面开裂。

点击阅读全文

聚碳硅烷基复合涂层PCS裂解行为及其抗激光烧蚀性能

蔡佳, 赵芳霞, 范栋, 黄利平, 牛亚然, 郑学斌, 张振忠

无机材料学报    2023, 38 (11): 1271-1280.

针对高性能激光防护涂层的开发问题, 根据聚碳硅烷(PCS)裂解时会消耗大量激光能量, 并产生高温陶瓷保护相的特点, 本研究创新性地提出在传统氧化钇稳定氧化锆(YSZ)隔热涂层表面再复合PCS烧蚀型涂层的防护思路, 采用料浆法结合大气等离子喷涂技术(APS)在Ni基合金表面分别制备了NiCrAlY/YSZ/PCS-TiO2(YPT)和NiCrAlY/YSZ/PCS-Y2O3(YPY)涂层。在研究TiO2和Y2O3添加相对PCS裂解行为影响的基础上, 系统研究了YPT和YPY复合涂层对10.6 μm CO2激光器的抗激光烧蚀性能, 并与单层YSZ涂层进行比较。结果表明, YPY和YPT复合涂层比传统YSZ涂层的激光防护效果更好, 这是因为在激光烧蚀初期, 涂层表面的PCS裂解会消耗激光能量, 且烧蚀后残余的Y2SiO5、SiC和SiO2相会沉积在YSZ涂层上, 形成致密的保护层, 继续对YSZ涂层进行激光防护。YPY比YPT涂层激光防护性能更好, 这是因为Y2O3具有高热导率和低热膨胀系数, YPY涂层产生的温度梯度更小, 从而缓解热应力, 且Y2O3参与PCS的裂解生成了Y2SiO5相, 比TiO2更能抑制PCS裂解引起的体积膨胀。此外YPY涂层中心烧蚀温度更高, 生成PCS裂解产物SiC和SiO2相的速度更快, 能及时保护下方涂层, 表现出更好的抗激光烧蚀性能。该研究有望为新型抗激光复合涂层的设计提供研究思路。

点击阅读全文

TiAl合金表面TiAlCrY/YSZ涂层高温长时间服役性能

潘洋洋, 梁波, 洪督, 祁志祥, 牛亚然, 郑学斌

无机材料学报    2023, 38 (1): 105-112.

TiAl合金具有低密度、高比强度的优异性能, 是一种潜在的航空发动机用结构材料。TiAl合金的服役温度范围为700~900 ℃, 在其表面制备高温热防护涂层可以进一步提高服役温度。本研究采用等离子喷涂技术在TiAl合金表面制备了新型TiAlCrY/YSZ涂层, 并与传统的NiCrAlY/YSZ热障涂层进行高温长时间服役性能对比研究。结果发现, TiAlCrY/YSZ涂层在1100 ℃空气环境中服役300 h保持完好, 表现出良好的高温性能, 而NiCrAlY/YSZ涂层在1100 ℃的服役寿命不足100 h。显微分析结果表明, TiAlCrY黏结层表面会形成一层连续且致密的TGO, 其主要成分为Al2O3, 与YSZ涂层的界面兼容性良好。并且TGO在1100 ℃空气环境中服役300 h后, 厚度仍<8 μm。以上研究表明, 与传统NiCrAlY/YSZ热障涂层相比, TiAlCrY/YSZ更适合作为TiAl合金表面的高温热防护涂层。

点击阅读全文

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.

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。

点击阅读全文

硅酸镱环境障涂层抗熔盐腐蚀行为与机制研究

刘平平, 钟鑫, 张乐, 李红, 牛亚然, 张翔宇, 李其连, 郑学斌

无机材料学报    2022, 37 (12): 1267-1274.

稀土硅酸盐环境障涂层(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, 但其在高温熔盐环境的腐蚀行为与机制尚不明晰。本工作采用真空等离子喷涂技术(VPS)制备了Yb2SiO5/Yb2Si2O7/Si环境障涂层, 并研究了该涂层体系在900 ℃、Na2SO4+25% NaCl(质量分数)熔盐环境中的腐蚀行为与机制。研究发现, 所制备的Yb2SiO5/Yb2Si2O7/Si涂层体系结构致密, 各层之间结合良好; 涂层体系腐蚀240 h, 熔盐组分渗透Yb2SiO5涂层, 在Yb2Si2O7中间层发生富集。涂层中Yb2SiO5相具有良好的稳定性, Yb2O3第二相与熔盐发生反应, 且随腐蚀时间延长, Yb2O3含量减少。中间层Yb2Si2O7相与熔盐反应生成磷灰石相NaYb9Si6O26和钠硅酸盐, 并产生Cl2和SO2等挥发性物质, 从而影响服役寿命。硅黏结层中未发现熔盐渗透现象, 保持完整。该涂层体系具有良好的抗熔盐腐蚀性能。

点击阅读全文

LaMeAl₁₁O₁₉/YSZ热障涂层热力学性能和热循环寿命

蔚海浪, 曹学强, 邓龙辉, 蒋佳宁

无机材料学报    2022, 37 (12): 1259-1266.

LaMeAl11O19陶瓷具有独特的晶体结构, 优异的热力学性能, 低热导率, 高温相稳定性等特点, 是一类非常有应用前景的热障涂层(TBC)材料。本研究通过大气等离子喷涂(APS)制备了LaMeAl11O19/YSZ (Me=Mg, Cu, Zn)双陶瓷层热障涂层。通过对涂层进行火焰热循环测试并结合扫描电子显微镜、X射线衍射仪等分析技术对涂层进行失效分析。结果表明, LaMgAl11O19 (LMA)、LaZnAl11O19 (LZA)和LaCuAl11O19 (LCA)粉末在等离子喷涂过程中发生了分解, 导致三种涂层中磁铅石相含量的差异, 从而影响三种涂层的热循环寿命。由于LaMeAl11O19层与YSZ层的热膨胀系数不匹配以及非晶相重结晶产生的体积收缩, LaMeAl11O19层从YSZ层上剥落。YSZ层暴露在高温下, 加速了烧结和TGO的生长, 又促进了YSZ层剥落。低温下, LaMeAl11O19的热导率随着Me原子序数增加而降低; 高温下, 与LMA和LZA相比, LCA涂层红外发射率最高(0.88, 600 ℃), 削弱了光子传导对热导率的贡献, 导致热导率降低, LCA在高温红外辐射涂层中具有潜在的应用价值。

点击阅读全文

热处理温度对LaMgAl₁₁O₁₉涂层热/力学性能的影响

安文然, 黄晶琪, 卢祥荣, 蒋佳宁, 邓龙辉, 曹学强

无机材料学报    2022, 37 (9): 925-932.

大气等离子喷涂制备的LaMgAl11O19 (LMA)热障涂层无定型相含量较高, 会严重影响涂层服役寿命。通过900~1600 ℃不同温度热处理12 h, 研究晶粒尺寸和孔隙率等微观结构和无定形相含量对LMA涂层力学、热物理以及抗热震性能的影响。结果表明: 喷涂态LMA涂层具有900和1163 ℃两个结晶温度点。900 ℃热处理后, LMA涂层中含有较多的无定形相以及最高的孔隙率((18.88±2.15)%), 1000 ℃测试时,具有最低的热扩散系数(0.53 mm2/s); 由于重结晶和烧结作用使得无定型相含量和孔隙率降低, 1100~1400 ℃之间热处理的涂层具有较高的硬度(1100℃时达到最高值(12.08±0.58) GPa); 1300 ℃热处理的涂层中含有大量微米级片状晶, 具有较高的应变容限以及平均热循环寿命(588次); 热处理温度达到1500 ℃时, 由于片状晶平行堆叠, 晶粒厚度迅速增加, 孔隙率增加、力学性能显著降低。热震过程中由于热应力的反复作用, 涂层内出现晶粒破碎和裂纹扩展等现象, 导致涂层最终失效。

点击阅读全文