最新录用 | 当期目录 | 过刊浏览 | 热点文章 | 虚拟专辑 | 阅读排行 | 下载排行 | 引用排行 | 期刊订阅

中国腐蚀与防护学报, 2025, 45(1): 33-45 DOI: 10.11902/1005.4537.2024.283

综合评述

环境障涂层材料及结构优化研究进展

任明泽, 董琳,, 杨冠军

西安交通大学材料科学与工程学院 金属材料国家重点实验室 西安 710049

Research Progress on Material and Structure Optimization of Environmental Barrier Coatings

REN Mingze, DONG Lin,, YANG Guanjun

State Key Laboratory for Mechanical Behavior of Materials, School of Materials Science and Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China

通讯作者: 董琳，E-mail：donglin@xjtu.edu.cn，研究方向为环境障涂层

收稿日期: 2024-09-03   修回日期: 2024-10-10  

基金资助: 国家自然科学基金.  52301102
中国博士后科学基金.  2024M752571

Corresponding authors: DONG Lin, E-mail:donglin@xjtu.edu.cn

Received: 2024-09-03   Revised: 2024-10-10  

Fund supported: National Natural Science Foundation of China.  52301102
China Postdoctoral Science Foundation.  2024M752571

作者简介 About authors

任明泽，男，1999年生，硕士生

摘要

环境障涂层(EBC)为碳化硅陶瓷基复合材料(SiC-CMC)提供了有效的高温水蒸气防护，成为新一代航空发动机高温部件的关键材料。本文综述了稀土硅酸盐/Si粘结层EBC的制备技术与典型结构特征，探讨了在富含水氧、CMAS熔盐的高温发动机环境下的服役失效机理，进一步针对涂层热失配、高温水氧腐蚀、CMAS腐蚀、粘结层氧化等问题，从材料和结构角度总结了硅酸盐面层和Si粘结层的设计及优化方法，同时，面对更高温度的服役需求，介绍了超高温面层结构设计和新型耐高温粘结层材料设计研究进展，最后展望了高性能环境障涂层的未来研究方向。

关键词： 环境障涂层(EBC) ; 稀土硅酸盐 ; 热喷涂 ; 腐蚀 ; 氧化

Abstract

Environment barrier coatings (EBC) provide effective protection from high-temperature water vapor corrosion for silicon carbide ceramic matrix composites (SiC-CMC), serving as a key material for the next-generation high-temperature components of aircraft engines. This paper reviews the preparation technology and typical structural characteristics for EBC of rare earth silicate/Si bond layer, and discusses the service failure mechanisms in high-temperature engine environments rich in water vapor and deposits CaO-MgO-Al2O3-SiO2 (CMAS). Furthermore, addressing issues such as thermal mismatch of coatings, high-temperature water vapor corrosion, CMAS corrosion, and bond coat oxidation, the design and optimization methods of silicate top coats and Si bond coats are summarized from the perspectives of materials and structures. In response to the demand for even higher operating temperatures, advancements in ultra-high-temperature surface layer structure design and the development of new high-temperature-resistant bond coat materials are introduced. Finally, future research directions for high-performance environment barrier coatings are discussed.

Keywords： environmental barrier coatings ; rare earth silicate ; thermal spraying ; corrosion ; oxidation

PDF (21554KB) 元数据 多维度评价 相关文章 导出 EndNote| Ris| Bibtex  收藏本文

本文引用格式

任明泽, 董琳, 杨冠军. 环境障涂层材料及结构优化研究进展. 中国腐蚀与防护学报[J], 2025, 45(1): 33-45 DOI:10.11902/1005.4537.2024.283

REN Mingze, DONG Lin, YANG Guanjun. Research Progress on Material and Structure Optimization of Environmental Barrier Coatings. Journal of Chinese Society for Corrosion and Protection[J], 2025, 45(1): 33-45 DOI:10.11902/1005.4537.2024.283

先进航空发动机效率的提高主要依赖于涡轮进口温度的提高和部件的轻量化。当发动机推重比达到12~15时，涡轮进口温度将超过1700 ℃。目前热端部件常用镍基高温合金作为基体材料，即使同时采用气膜冷却技术和热障涂层两种降温技术，长时服役温度也限制在1500 ℃[1~3]，如图1所示，远不能满足需求。

图1

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图1   燃气涡轮发动机材料温度的预测与研究进展[3]

Fig.1   Operating temperature prediction and research progress of materials applied in gas turbine engines[3]


碳化硅陶瓷基复合材料(SiC-ceramic matrix composites，SiC-CMC)由SiC陶瓷纤维和SiC陶瓷基体组成，能够承受1500 ℃高温[4]，热稳定性能优异，同时密度仅为高温合金的1/3~1/4。自上世纪SiC-CMC便引起了美国、德国、日本、法国等的关注，在美国的EPM (Enabling propulsion materials)和UEET (Ultra efficient engine technology)计划中，将SiC-CMC作为重点发展的高温结构材料之一[5]。GE公司在F414发动机上开展了SiC-CMC涡轮导叶和动叶试验，并进一步推广至高压涡轮第2级动叶[6]。SiC-CMC成为新一代航空发动机热端部件的首选材料。

然而，发动机所使用燃料的燃烧产物中含有大量水蒸气，高温下，SiC表面的保护性SiO2氧化膜与水蒸气反应气化，导致基材的损耗，严重影响使用寿命[7,8]。为解决这一问题，人们提出环境障碍涂层(Environmental barrier coatings，EBC)这一技术。不同于传统的热障涂层(Thermal barrier coatings，TBCs)，EBC涂层主要是为了将服役环境中的水氧介质和SiC-CMC基体进行阻隔，从而减缓水氧腐蚀的发生[9]。可以说SiC-CMC能否替代传统高温合金并大规模应用的关键就在于EBC技术的发展，开展高性能EBC材料和制备技术的研究具有非常重要的工业价值和军事意义[10]。

1 环境障涂层典型材料

为了提供长期有效的防护，EBC材料需要满足以下几要素。首先，EBC材料应具有高熔点和高温水氧稳定特性，以适应极端恶劣的高温腐蚀环境；其次，为保证在热循环环境中的稳定服役，EBC材料的热膨胀系数(Coefficient of thermal expansion，CTE)应与SiC基体相匹配，以降低热失配应力；第三，材料具有高温相稳定性，避免相变引发的相变应力以及体积突变，导致涂层开裂剥落；此外，材料与基体及涂层各层之间化学相容性好，不发生有害反应，如图2所示[11~14]。可见，为提高发动机燃烧环境中高温结构件服役的可靠性，EBC材料的选择极具挑战性。单一材料很难兼具以上全部特性，因此EBC通常采用双层或多层材料体系。经过学者几十年的研究，EBC已由第一代的YSZ (Yttria partially stabilized zirconia)/Mullite与第二代的BSAS/Mullite双层体系，发展到如今的第三代稀土硅酸盐/Mullite/Si三层体系及稀土硅酸盐/Si双层体系。

图2

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图2   EBC材料应满足的条件

Fig.2   Key performance requirements of EBC materials


如表1所示，第一代EBC材料因Mullite的CTE ((5~6) × 10-6 K-1)与SiC基体((4.5~5) × 10-6 K-1)接近，且化学相容性好，因此最得到应用[15]。但Mullite涂层中的SiO2活性较高，易与高温水蒸气反应气化而快速失效。NASA在Mullite表面覆盖YSZ层，一定程度上改善了Mullite服役性能[16]，形成了第一代YSZ/Mullite双层体系，如图3a所示。但YSZ和SiC基体的CTE相差较大，在热循环过程中因热失配而导致涂层开裂，这些裂纹降低了EBC的抗水氧腐蚀性能。

表1   常见EBC候选材料的热学参数[3,6,9]

Table 1  Thermal parameters of commonly investigated EBC candidate materials[3,6,9]

Materialα / × 10-6·K-1λ / W·(m·K)-1
SiC4.5~5-
Si3.5~4.510~20
Mullite5~6-
BSAS (monoclinic)4~5-
BSAS (hexagonal)7~8-
Yb2SiO57~80.74~1.15
Er2SiO57~81.42
Y2SiO57~81.65
Gd2SiO59.9~10.31.45
Lu2SiO56.71.63
Yb2Si2O74~62.0
Lu2Si2O73.8-
Yb2O36.8~8.4-
YSZ10.52~5

新窗口打开| 下载CSV


图3

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图3   EBC结构体系演化[20,21]

Fig.3   Evolution of structure and material of EBC system: (a) the first generation-YSZ/Mullite, (b) the second generation-BSAS/Mullite/Si, (c) the third generation-REMS/Mullite/Si[20], (d) the third generation-REDS/Si[21]


为此，有学者在研究中使用了钡锶铝硅酸盐(1-xBaO-xSrO-Al2O3-2SiO2，0 ≤ x ≤ 1，BSAS)替代YSZ，并以Si作为粘结层，衍生出BSAS/Mullite/Si三层体系[17]，如图3b所示。但BSAS/SiO2较低的共晶温度(约1310 ℃)，使该体系的使用温度不能超过1300 ℃。稀土硅酸盐材料因熔点高、相稳定性好、抗腐蚀能力强，替代了BSAS成为新一代EBC的面层材料[18,19]。通常采用含过渡层的稀土单硅酸盐(RE2SiO5，REMS)/Mullite/Si三层体系，如图3c，其中，REMS热膨胀系数为(6.7~8) × 10-6 K-1，双硅酸盐(RE2Si2O7，REDS)为(4~6) × 10-6 K-1，后者与SiC的热匹配性更好，故常采用REDS/Si双层结构体系，如图3d。目前，以稀土硅酸盐体系为基础的EBC材料和结构设计，成为的环境障涂层的主要研究方向。

因此，在进行EBC材料的选择和结构设计时，应充分考虑耐蚀性、高温稳定性、热匹配性等因素的综合影响。

2 环境障涂层制备方法

目前，按照成膜原理来分类，EBC的制备方法主要包括：低温预制-热处理固化成膜法和热喷涂直接成膜法两类。

2.1 低温预制-热处理两步成膜法

低温预制-热处理固化成膜法是通过将基体浸入常温的前驱体溶液/悬浊液/溶胶-凝胶中获得预制湿膜，进一步干燥、高温热处理形成涂层。常用的低温法包括浆料法、溶胶-凝胶法、电泳沉积法[22]等。该类方法设备简单、成本较低，能够在复杂工件表面制备均匀覆盖的涂层。

然而，溶剂挥发会导致所制备的涂层致密度较低。采用电泳沉积、悬浊液浸涂法制备涂层的典型结构如图4所示。在后续的热处理烧结过程中溶剂挥发，涂层内形成大量相互连通的网状孔隙及不规则孔洞，涂层表面同样形成大量气泡和裂纹，这类孔隙结构对涂层的耐腐蚀性能非常不利[22,23]。此外，较高的烧结温度易对SiC基体造成损伤。因此，此类方法并未在发动机热部件环境障涂层的制备领域广泛应用。

图4

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图4   低温法制备的EBC典型结构[24,25]

Fig.4   Typical structures of EBC obtained via low-temperature fabrication methods: (a, b) electrophoretic deposition-sintering method[24], (c) suspension immersion coating-sintering method[25]


2.2 热喷涂直接成膜法

热喷涂法的成膜原理不同于低温法。首先将原材料(粉末、悬浊液等)送入高温热源(等离子体、火焰等)中熔化并加速，随后高速粒子撞击冷基体表面，铺平冷却成扁平粒子，不断堆叠，最终形成层片结构涂层，如图5所示。由于高温热源只作用于涂层原料，避免了高温对基体的损伤，同时，液滴与基体的高速撞击使涂层与基体紧密结合，所制备涂层致密度也显著提高。常用的热喷涂方法包括：大气等离子喷涂(Air plasma spray，APS)、低压等离子喷涂(Low pressure plasma spray，LPPS)等[26]。

图5

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图5   热喷涂法成膜原理[27]

Fig.5   Deposition mechanism of thermal spray coatings[27]


2.2.1 大气等离子喷涂

APS法是EBC制备最常用的方法。以等离子体为热源，中心温度可达20000 K，粉末原材通过载气注入焰流，瞬间熔化，在热喷涂技术中，该法工艺简单、沉积效率高，具有很大的优势[28]。

APS法制备的EBC具有典型的层状结构特征。一方面，由于涂层沉积时液滴与基体温差大，扁平粒子在快速降温过程中会产生较大的残余应力而纵裂，沉积温度较低时因结合不充分而形成横向孔隙；另一方面，液滴过快冷速时，存在非晶现象，在高温条件下的再结晶过程往往伴随着体积收缩；此外，焰流中存在部分未熔或微熔粉末颗粒，和熔滴共同沉积，在涂层中形成孔隙，如图6a1和a2。制备态EBC中相互贯通的孔隙结构会成为腐蚀介质的渗透路径，降低涂层的抗腐蚀性能[29]。

图6

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图6   APS法制备的EBC的典型结构[29]

Fig.6   Typical structures of EBC prepared by APS method: (a1, a2) as-sprayed coating, (b1, b2) annealed coating[29]


通过退火热处理能够在一定程度上降低涂层的孔隙率。喷涂态涂层经过1300 ℃退火处理20 h后，部分微裂纹愈合，但涂层中仍残留大量球状孔隙、粗化孔隙以及层间孔隙，如图6b1和b2所示。研究表明，热处理时，涂层内部晶粒长大，使得孔隙表面粗糙化，引发孔隙表面多点桥接，将原有的垂直于涂层方向的2D孔隙分割，进一步球化，形成孤立分散的3D孔隙，使得涂层的孔隙率降低，但延伸整个涂层的裂纹愈合并不明显[30,31]。可见，热处理无法实现对贯通孔隙的完全消除。

2.2.2 低压等离子喷涂

低压环境下的喷涂是以APS技术为基础，通过更大功率的喷枪、较低的环境气压和氧分压，显著提高基体的预热温度，提高粉末原料的熔化程度，减少了沉积过程的氧化。相较于传统的制备方法，低压环境下的喷涂表现出了很大的优势。

基于以上特点，低压环境下制备的EBC仍以液相沉积为主，涂层结构更加致密。北航研究团队[32]采用该方法制备得到Yb2SiO5 EBC，同样呈现出层状结构特征，如图7a所示。无预热喷涂得到的涂层结晶度约为77%，预热温度提高至1300 ℃，可提高涂层的结晶度至98%，且涂层中横纵微裂纹较APS方法制备的明显减少了，孔隙率降至2%。广州新材料所团队制备了Yb2SiO5厚度不同的EBC，表明随着其厚度增加至50 μm，涂层内出现了明显的纵向裂纹[33,34]。国外研究结果中也出现了类似的现象，如图7b[35]。这主要是由于涂层内残余应力增大，应力释放而产生的贯穿裂纹，纵向裂纹虽然有助于延长涂层的热循环寿命，但却会降低其耐腐蚀性能。

图7

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图7   低压下液相沉积为主的EBC典型结构[34,35]

Fig.7   Typical structures of EBC prepared by spraying under low pressure: (a) cross section[34], (b) surface[35]


制备工艺和工艺参数会显著影响涂层的显微结构特征，研究掌握EBC材料特性与制备工艺及工艺参数的相互作用规律，对于高性能EBC结构设计和综合服役性能的提高具有重要的指导意义。

3 环境障涂层主要失效机理

EBC过早失效是限制SiC-CMC在发动机热端部件应用的重要因素之一。其主要失效形式包括：水蒸气腐蚀、CMAS (CaO-MgO-Al2O3-SiO2)熔盐腐蚀、Si粘结层氧化等[36]，如图8所示。

图8

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图8   EBC的主要失效形式

Fig.8   Primary failure modes of EBC


3.1 粘结层高温氧化

目前EBC常用Si作为粘结层，Si层氧化是EBC的主要失效原因之一。服役过程中，环境氧化剂扩散至Si层表面，反应形成SiO2热生长层(SiO2-TGO)。

随着SiO2-TGO层的增厚，TGO层内产生较大的生长应力。TGO生长速率主要由环境中氧化剂的扩散所控制。环境氧分别以分子、原子、离子的形式，自涂层的裂纹及孔隙、晶界、晶内扩散传输至Si层上界面，使其氧化并增厚，TGO的生长遵循扩散控制的抛物线规律。此外，环境中的高温水蒸气也是重要的氧化剂之一，其在涂层中的高溶解度，加速了Si层的氧化[37]。降低环境氧化剂在涂层内的扩散速率，便能够有效提高涂层的抗氧化性能。

此外，初始形成的SiO2为β相，当涂层从高温冷却到约220 ℃时，β-SiO2相转变为α-SiO2相，伴随着约5%的体积收缩[38]，在TGO层内产生较大的相变应力。两种应力叠加，并随着服役时间的延长而累积，如图9a~c，最终致使TGO开裂，甚至使涂层局部或整体剥落。

图9

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图9   SiO2-TGO增厚开裂相应的结构演变[39]

Fig.9   Microstructure change of SiO2-TGO corresponding to its thickening and cracking after 200 h (a), 500 h (b) and 1000 h (c) thermal cycling at 1300 oC in air[39]


因此，抑制SiO2-TGO相变、缓解相变应力致裂，有助于延长EBC在氧化环境的服役寿命。

3.2 水蒸气腐蚀

高温水蒸气腐蚀同样是EBC材料服役面临的最主要挑战之一。由于EBC材料均含Si元素，具有一定的Si活性，因此，在与高温水蒸气接触时，涂层不可避免地会因Si元素反应气化挥发而逐渐退化、失效。

面层材料的硅活性直接决定着涂层在水蒸气中的腐蚀退化行为。目前，常用稀土硅酸盐作为面层材料，包括RE2SiO5、RE2Si2O7等，与环境水蒸气直接接触，发生的腐蚀反应如下：

RE2Si2O7(s)+2H2O(g)→RE2SiO5(s)+Si(OH)4(g)
RE2SiO5 (s)+2H2O (g)→RE2O3(s)+Si(OH)4(g)

材料的硅活性越高，意味着越容易发生上述失硅反应。稀土硅酸盐的硅活度系数比Mullite低25%，而稀土单硅酸盐比相应的双硅酸盐低1~2个数量级，表现出更优的水蒸气稳定性。采用低硅活性材料作为面层，有助于提高EBC在高温水蒸气环境的稳定性[40]。

此外，涂层孔隙结构促进了水蒸气的渗透，使得内部材料过早腐蚀。首先，如前所述，制备态涂层难以避免地会形成贯通孔隙或微裂纹；其次，失硅后涂层表面形成大量孔隙；另外，腐蚀后的产物与基体热膨胀失配，应力累积导致涂层内产生新裂纹，进一步加剧了孔隙的贯通性。

贯通裂纹或孔隙网络同样是水蒸气与SiO2-TGO的接触通道。如图10所示，粘结层氧化形成的SiO2，与渗入的水蒸气反应生成气态Si(OH)4，挥发后会在TGO内，尤其是裂纹尖端，留下大量腐蚀孔洞。因此，在水蒸气的作用下，粘结层不仅氧化速率加快、裂纹增多，同时形成大量腐蚀孔隙，这进一步增大了涂层的开裂剥落风险。

图10

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图10   EBC高温水氧腐蚀后的显微结构特征[41]

Fig.10   Microstructural characteristics of EBC after high-temperature water vapor corrosion[41]


基于气体动力学计算，腐蚀产物Si(OH)4的挥发由气体流速和压力共同决定。研究表明，在1315 ℃、90%H2O-10%O2 (体积分数)、气流速率4.4 cm·s-1条件下经过2000 h，YbDS (ytterbium disilicate, Yb2Si2O7)表面形成厚度约15 μm的 YbMS (ytterbium monosilicate, Yb2SiO5)腐蚀反应层(图11a)；增大气流速率至100 m·s-1，经过200 h后，腐蚀反应层厚度增大至约25 μm (图11b)；进一步，升高温度至1400 ℃，表面反应层内形成尺寸超过5 μm的大孔，失硅造成的体积收缩达26% (图11c)。可见，腐蚀环境对腐蚀结果的影响同样不容忽视。

图11

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图11   温度及气流速率对水蒸气腐蚀形貌的影响[3,42,43]

Fig.11   Influences of temperature and airflow rate on the morphology of EBC during water vapor corrosion: (a) low tem-perature and low flow velocity[3], (b) low temperature and high flow velocity[42], (c) high temperature and high flow velocity[43]


因此，EBC面层材料的硅活性、多孔结构特征、服役环境共同决定着涂层的水蒸气腐蚀退化行为。在开展高抗水氧腐蚀EBC材料结构设计和制备研究时，需要综合考虑涂层材料特性和结构特征，并模拟真实服役环境考核涂层性能，才能获得可靠的涂层材料和结构。

3.3 CMAS熔盐腐蚀

与TBCs类似，EBC在服役过程中也面临严峻的熔盐威胁。航行经过沙漠、火山等环境时，发动机吸入大量砂尘、火山灰等，其主要成分为CaO、MgO、Al2O3和SiO2氧化物，在燃烧室的高温作用下，氧化物颗粒熔化堆积在涂层表面，形成一层玻璃相物质(CMAS)[44]。该CMAS与EBC材料发生化学反应，使涂层逐渐溶解，生成不同于涂层成分的新相，如图12所示。通常，典型厚度的EBC在几百甚至几十小时内便可被完全反应消耗掉。

图12

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图12   CMAS腐蚀后的EBC面层显微结构[44]

Fig.12   Microstructures of the top layer of EBC after CMAS corrosion: (a) low-magnification image, (b) high-magnification image[44]


不同于TBCs，EBC结构较为致密，CMAS从孔隙的渗透腐蚀不占主导，与面层的化学反应是导致快速腐蚀的主要因素。研究表明，温度由1300 ℃升高至1500 ℃时，氧化物混合物更容易形成玻璃相[45]，如图13a。此外，CMAS熔盐的黏度随温度的升高逐渐降低，在涂层内的流动性增强，高温也会使元素扩散速率增大，加剧扩散腐蚀反应。在1300 ℃下与CMAS反应50 h后，Yb2SiO5表面有玻璃态物质生成，升温至1500 ℃，经过5 h，表面生成部分磷灰石相，随后出现宽大的裂纹，以及“泡状”裂纹[46]，如图13b。可见，随着服役温度的进一步提高，稀土硅酸盐将面临更严重的CMAS腐蚀。

图13

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图13   EBC的高温CMAS腐蚀[45,46]

Fig.13   High-temperature CMAS corrosion of EBC: (a) effect of temperature on CaO-AlO1.5-SiO2 equilibrium phase diagram[45],(b) microstructure of YbDS after CMAS corrosion at 1500 oC[46]


因此，研究抗CMAS腐蚀的面层材料，设计抗CMAS腐蚀的涂层结构，对提高EBC的服役性能尤为重要。

4 环境障涂层材料及结构优化策略

4.1 面层材料优化

如前所述，服役过程中面层材料面临的威胁主要为水蒸气、CMAS等介质腐蚀，同时材料热失配应力也是导致面层开裂剥落的主要原因。

4.1.1 二元及多元稀土元素固溶高熵化

近年来，由两种及以上稀土元素固溶形成的高熵陶瓷受到广泛关注。研究表明，与单相组元相比，二元及多元固溶体导热系数更低、断裂韧性更高，高温下相稳定性更好，与基体热膨胀系数也更匹配。

许多研究采用光学碱度(Optical basicity，OB)作为预测材料耐介质腐蚀性的指标。OB值代表氧化物中氧离子的给电子能力，与材料的耐蒸汽腐蚀能力呈正相关。Yb2SiO5和Yb2Si2O7的OB值分别为0.76和0.68，水氧腐蚀数据证实Yb2SiO5比Yb2Si2O7表示出更优的水蒸气稳定性。对于熔盐腐蚀，材料与CMAS的OB差值越小，则该材料的抗CMAS腐蚀性能越优异[47~49]。

研究基于OB值相近原则粗筛出稀土硅酸盐材料，获得二元或多元固溶高熵陶瓷材料。如图14所示，由Lu-Er-Tm-Yb-Sc组成了五元稀土双硅酸盐固溶体，在1500℃、H2O-50%O2 (体积分数)条件下暴露200 h，测得的固溶体的质量损失率比相应单组元减少50%~90%，固溶高熵体系表现出优异的抗水氧腐蚀性能。

图14

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图14   稀土硅酸盐固溶高熵化对其水蒸气稳定性的影响[44]

Fig.14   Effect of solid solution high entropy on water vapor stability of rare earth silicate[44]


此外，由Yb-Y-Lu-Ho-Er构成的五元稀土双硅酸盐(Yb0.2Y0.2Lu0.2Ho0.2Er0.2)2Si2O7，与CMAS反应时发生重结晶，形成致密且连续的保护层，在迟滞扩散效应的作用下，抑制了CMAS的进一步腐蚀。与单组元稀土双硅酸盐相比，该五元固溶体与CMAS反应生成的磷灰石细长、致密，可以更好地保护基体。固溶高熵稀土硅酸盐的综合性能优于各单相组元的性能。

目前，由高熵陶瓷构成的EBC的制备和服役性能相关研究较少，需进一步开展深入且系统的研究。独特的成分和组织结构使高熵陶瓷具有理想的热力学性能和耐腐蚀性能，是理想的EBC面层候选材料之一。

4.1.2 高性能相掺杂优化

通过掺杂的方法向面层中引入新相，以期提高涂层的服役性能。例如，通过向原料粉末中掺入SiC颗粒或晶须，使得制备态涂层中含有抗氧化的SiC相，有效促进裂纹愈合，并减缓Si粘结层的氧化速度，提高了EBC体系的抗氧化性能[50]。采用YbDS-Al2O3混合粉末制备得到复合块体，在1350℃、H2O-5%O2 (体积分数)环境中服役40 h后，Al2O3与YbDS反应生成了在水蒸气环境中稳定性优异的镱铝石榴石(YbAG)薄层，如图15所示，显著抑制了YbDS的失硅腐蚀。因此，向面层体系中引入抗氧化相及耐腐蚀相，是提高涂层整体抗氧化性及抗腐蚀性、延长服役寿命的有效手段。

图15

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图15   Al2O3掺杂对YbDS面层水蒸气腐蚀形貌的影响[51]

Fig.15   Microstructures of the top layers of YbDS coatings without (a) and with (b) Al2O3 doping after water vapor corrosion[51]


4.2 面层结构优化

4.2.1 面层结构致密化

涂层的孔隙结构特征也是决定其性能的重要因素。制备态EBC含有横纵向微裂纹、孔隙，在三维空间上表现为贯通的孔隙网络。鉴于涂层热循环应变容限需求，一定程度的孔隙和微裂纹是可取的。然而，由于其内部的层间孔隙和层内裂纹是相互连通的，这些贯通孔隙成为了腐蚀介质的快速渗透通道，降低或消除其内部孔隙的贯通性可提高抗介质渗透腐蚀性能。

为了实现EBC结构的致密化，许多研究通过优化制备工艺来降低孔隙率。增大喷涂电流、增加工作气体H2浓度、优化喷涂距离等都是降低涂层孔隙率的有效方法。预热基体能够在一定程度上降低熔滴的冷速速率，从而减少因快冷而导致的纵向微裂纹，如图16所示，并且促进层片结合，减少因结合不充分而引起的横向孔隙[52]。

图16

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图16   预热温度对Yb2Si2O7等离子喷涂沉积片层形貌特征的影响[52]

Fig.16   Morphological characteristics of plasma sprayed Yb2Si2O7 deposits under the pre-heating conditions of room temper-ature (a), 300 oC (b) and 600 oC (c)[52]


进行退火处理、熔渗封孔等后处理也是获得致密涂层的有效方法。研究发现，热处理有助于二维孔隙的愈合消失，但对于尺寸相对较大的三维孔隙影响较小。通过掺杂SiC颗粒，制备获得具有裂纹自愈功能的涂层，经过1400 ℃退火处理，SiC相表面的梯度氧化产生压应力，促进了涂层裂纹的自愈合[53]。本团队采用熔渗封孔的方法，向涂层裸露贯通孔隙中填入金属铝，完全消除涂层的贯通孔隙，实现了结构致密化，如图17所示；同时，在热处理稳定化的过程中，表面会形成镱铝石榴石反应层，在1350 ℃、H2O-50%O2条件下腐蚀300 h后，Yb2SiO5面层失硅腐蚀孔洞较传统体系降低了80%，Si粘结层的氧化速率降低90%以上[54]，显著提高了涂层的抗水蒸气腐蚀性能。

图17

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图17   熔渗铝致密化对EBC水氧腐蚀形貌的影响[54]

Fig.17   Microstructures of EBC without (a1, a2) and with (b1, b2) aluminum infiltration densification after water vapor corrosion[54]


4.2.2 超高温面层结构设计

为提高CMC-EBC的使用温度至1650 ℃，结合TBC技术，提出了T/EBC复合涂层体系。如图18所示，一方面在传统EBC表面制备低热导、高热稳定性的热障层LaMgAl11O19 (LMA)，以屏蔽热辐射，起到隔热的作用，另一方面，在热障层与EBC之间制备CTE可调的复合中间层，使得T/EBC体系的热循环寿命延长20%[55]。

图18

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图18   具有LMA/LMA-LAS/YbDS/Si多功能层的T/EBC典型结构[55]

Fig.18   Microstructural characteristic of T/EBC system composed of LMA/LMA-LAS/YbDS/Si multilayers[55]


面层材料在环境水蒸气、CMAS等作用下，除了需要满足耐高温、相稳定、与SiC热匹配以外，还需兼顾耐水蒸气腐蚀、耐CMAS腐蚀、阻氧、隔热等特性，因此，面层材料筛选、结构设计与制备仍是目前EBC的重点研究方向。

4.3 粘结层材料优化

4.3.1 改性的Si粘结层

Si是目前常用的EBC粘结层，冷却过程中SiO2-TGO的β→α相变收缩引发开裂、剥落，是EBC失效的主要形式之一。

对SiO2进行Al掺杂改性可抑制β-SiO2相变。当Al含量较低时，Al3+可取代TGO晶格中的Si4+，改变晶体结构，降温过程可使SiO2保持为β相，研究发现TGO厚度超过10 μm时仍未出现开裂现象，但Al的掺入量过多则会加速TGO的生长[56,57]。本团队制备了Si-Al2O3与Si-Mullite粘结层，在1350 ℃服役过程中，Al元素向SiO2-TGO中扩散，使SiO2-TGO保持β-高温相，从而有效抑制了低温相变开裂，与纯Si粘结层相比，Al改性使粘结层在1350 ℃下的抗开裂寿命延长了4倍以上[57]。

在Si体系中引入HfO2，也是抑制SiO2-TGO相变的有效手段之一。该相变抑制机制为HfO2与SiO2反应消耗SiO2[58]。然而，连续的HfO2相却是氧的快速传输通道，因此，Si-HfO2粘结层的难点在于控制Si中HfO2相的形态和分布，以实现Si氧化生成SiO2以及HfO2反应消耗SiO2二者的动态平衡，使SiO2含量最小化，从而抑制β-SiO2相变。

本团队提出了一种双态复合结构Si-HfO2粘结层(图19)[59]。制备态下，HfO2呈块状，均匀离散地分布在Si连续相中。1370 ℃氧化过程中，HfO2与Si氧化生成的SiO2反应，生成HfSiO4，降低了SiO2相变造成的相变应力；同时，Si层中分布的非连续的HfSiO4相有效抑制了裂纹的萌生和扩展。与纯硅层相比，该复合结构粘结层在1370 ℃下的服役寿命延长了10倍，断裂韧性也提高了。

图19

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图19   Si-HfO2新型粘结层的显微结构特征[59]

Fig.19   Microstructural characteristics of Si-HfO2 as a novel bonding layer before (a) and after (b) oxidation at 1370 oC for 100 h[59]


因此，抑制SiO2相变，消除相变应力，能够有效缓解TGO开裂剥落，从而延长涂层的服役寿命。

4.3.2 新型耐高温粘结层

EBC超高温服役对粘结层的耐温性能提出了更高的要求。纯Si粘结层熔点为1414 ℃，远低于EBC超高温服役温度。因此，设计研究了新型粘结层体系。

稀土硅化物RESi材料熔点高，且在高温下会与水蒸气反应生成稳定的氧化物(RE2O3，RE2SiO5，RE2Si2O7)，是超高温EBC粘结层的优秀候选材料之一。如Y-Si二元稀土硅化物，Y5Si3，Y5Si4，YSi，Y3Si5和YSi2的熔点范围为1520~1850 ℃。然而，在RESi体系中，RE易优先氧化，促进氧元素的晶界扩散，从而加速粘结层氧化；另一方面，Si单质易析出团聚，降低粘结层耐高温性能[60,61]，这是RESi粘结层研究所面临的主要挑战。

为此，本团队提出了一种前处理方法—快速氧化法以获得服役过程中低氧化速率的YSi粘结层[62]。实验过程中采用了两种氧化方式，其中缓慢氧化指将YSi粘结层放入炉中，以5 ℃/min的速率从室温加热至1300 ℃，保温30 min。而快速加热氧化过程是将YSi粘结层立即放入预热至1300 ℃的炉中，在2 min内快速加热至1300 ℃后保温8 min，从炉中取出，空冷至室温。

缓慢氧化过程中，YSi合金先选择性氧化形成Y2O3，同时析出Si；进一步，Si氧化生成SiO2；最终，Y2O3与SiO2反应生成Y2Si2O7，该过程会形成较大尺寸的裂纹，为水氧提供通路(图20a)。而快速氧化过程中，YSi合金可一步氧化生成致密的Y2Si2O7层，阻挡水氧(图20b)。在服役过程中，通过快速氧化前处理制备的YSi，其抗氧化性能是缓慢氧化前处理的3.6倍。

图20

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图20   YSi新型粘结层高温氧化后形貌特征[62]

Fig.20   Surface microstructures of a novel bonding layer YSi after slow oxidation (a) and rapid oxidation (b) at high temperature[62]


因此，通过掺杂改性等方法抑制Si基粘结层的氧化和TGO相变，以及研发新型耐高温粘结层材料和体系，是实现EBC在超高温发动机环境中长时间服役的关键。

5 结语及展望

EBC技术是决定SiC-CMC能否在航空发动机燃烧环境应用的关键因素之一。目前最具应用前景的稀土硅酸盐/硅体系EBC高温水蒸气腐蚀、CMAS腐蚀、氧化等问题仍很严重。为提高EBC在严苛发动机环境中的服役性能，已开展了大量的研究。在面层材料研究和结构设计方面，一方面通过粉末掺杂、后处理改性等，获得抗水蒸气腐蚀、抗氧化、自修复的面层材料和结构；另一方面，设计制备二元及多元高熵固溶陶瓷材料，实现热膨胀匹配性、水蒸气稳定性、高温相稳定性等的综合优化；此外，设计T/EBC结构体系，在超高温环境下实现对SiC-CMC的防护。在粘结层研究方面，一方面通过对Si粘结层改性来抑制SiO2-TGO相变，提高涂层的高温服役性能；另一方面，通过设计新型耐高温材料，突破现有纯Si材料粘结层不超过1400 ℃的应用瓶颈，以期满足1500 ℃以上超高温EBC的应用需求。

耐腐蚀、抗氧化、耐高温涂层材料及结构设计仍是EBC的未来重点研究方向。为了实现EBC综合性能的提升，仍需开展更系统深入的研究：(1) 开发抗腐蚀性能优良、热匹配度高、高温稳定性好的面层材料，设计高应变容限的涂层结构；(2) 开展新型粘结层成分和组织结构设计，突破Si材料的应用瓶颈；(3) 研究涂层制备工艺对新材料和新结构的影响规律；(4) 研究EBC体系在更高温度下的水氧腐蚀和CMAS腐蚀机理，进一步研究揭示涂层在热力化耦合条件下的失效机理，为新一代高性能EBC的设计与应用提供理论和技术支持。

参考文献

Wu Y, Guo X Y, He D Y, et al.

Research progress of CMAS corrosion and protection method for thermal barrier coatings in aero-engines

[J]. China Surf. Eng., 2023, 36(5): 1

[本文引用: 1]

吴 杨, 郭星晔, 贺定勇 等.

航空发动机热障涂层的CMAS腐蚀与防护研究进展

[J]. 中国表面工程, 2023, 36(5): 1

[本文引用: 1]

Sun Y, Li Z B, Ma L W, et al.

Research progress on corrosion failure of high-temperature coatings in aero-engines

[J]. Therm. Spray Technol., 2024, 16(2): 1

孙 毅, 李宗宝, 马菱薇 等.

航空发动机高温涂层腐蚀失效研究进展

[J]. 热喷涂技术, 2024, 16(2): 1

Padture N P.

Advanced structural ceramics in aerospace propulsion

[J]. Nat. Mater., 2016, 15: 809

[本文引用: 7]

Zou L X, Chang H, Gao M H, et al.

Research progress and development trend of ground heavy duty gas turbine and its thermal barrier coatings

[J]. China Surf. Eng., 2024, 37(1): 18

[本文引用: 1]

邹兰欣, 常 辉, 高明浩 等.

地面重型燃气轮机及其热障涂层的研究进展与发展趋势

[J]. 中国表面工程, 2024, 37(1): 18

[本文引用: 1]

Zhu D M.

Advanced environmental barrier coatings for SiC/SiC ceramic matrix composite turbine components

[A]. OhjiT, SinghM. Engineered Ceramics: Current Status and Future Prospects [M]. Hoboken: John Wiley & Sons, Inc., 2016: 187

[本文引用: 1]

Qi H X, Ma R, Meng G H, et al.

Research progress on aluminized coatings for high temperature blades

[J]. Mater. Prot., 2022, 55(10): 147

[本文引用: 3]

齐浩雄, 马 瑞, 孟国辉 等.

高温叶片用渗铝涂层的研究进展

[J]. 材料保护, 2022, 55(10): 147

[本文引用: 3]

Ma Z, Liu L, Zheng W.

Environmental barrier coating for aeroengines: materials and properties

[J]. Adv. Ceram., 2019, 40: 331

[本文引用: 1]

马 壮, 刘 玲, 郑 伟.

航空发动机环境障涂层: 材料及性能

[J]. 现代技术陶瓷, 2019, 40: 331

[本文引用: 1]

Gatzen C, Mack D E, Guillon O, et al.

Water vapor corrosion test using supersonic gas velocities

[J]. J. Am. Ceram. Soc., 2019, 102: 6850

DOI      [本文引用: 1]

Testing of the corrosion resistance of environmental barrier coating (EBC) systems is necessary for developing reliable coatings. Unfortunately tests under realistic gas turbine conditions are difficult and expensive. The materials under investigation as well as parts of the test setup have to withstand high temperatures (>= 1200 degrees C), high pressure (up to 30 bar) as well as the corrosive atmosphere (H2O, O-2, NOx). Therefore most lab scale test-rigs focus on simplified test conditions. In this work water vapor corrosion testing of EBCs with a high velocity oxy fuel (HVOF) facility is introduced which combines high temperatures and high gas velocities. It leads to quite high recession rates in short periods of time, which are comparable to results from literature. It was found that high flow velocities can easily compensate low gas pressures. HVOF-testing is a simple and fast way to measure the recession rate of an EBC-system. As proof of concept the recession rates of an oxide/oxide CMC with and without EBC were measured.

Lee K N.

Special issue: environmental barrier coatings

[J]. Coatings, 2020, 10: 512

[本文引用: 3]

Shi T J, Zhang X, Peng H R, et al.

Research status and prospect of thermal barrier coating materials system

[J]. Therm. Spray Technol., 2023, 15(2): 1

[本文引用: 1]

史天杰, 张 鑫, 彭浩然 等.

热障涂层材料体系研究现状及展望

[J]. 热喷涂技术, 2023, 15(2): 1

[本文引用: 1]

Zhou B Y, Cui Y J, Wang C L, et al.

Research progress in rare earth silicate environmental barrier coatings

[J]. J. Mater. Eng., 2023, 51(12): 12

DOI      [本文引用: 1]

Ceramic matrix composites are desirable materials for the hot end components of high performance generation aeroengines due to their high temperature resistance, low density and excellent high temperature mechanical properties. However, when exposed to combustion environment, the ceramic matrix composites are subjected to serious water vapor corrosion. Thus, environmental barrier coatings are indispensable to apply to their surfaces to extend their service life.The rare earth silicate has become the primary candidate material for the new generation of environmental barrier coating materials because of its suitable thermal expansion coefficient with the substrate, outstanding water vapor corrosion resistance and high temperature stability. The characteristics, preparation techniques and typical service performance of rare earth silicates were reviewed in this paper, with focus on their classification, thermal/physical properties, as well as the damage and failure mechanisms during high-temperature corrosion processes. Finally, the research directions of high entropy design of multi-component rare-earth silicates and the design of new thermal/environmental barrier coating systems were proposed. This paper aims to provide useful references for the further application of rare earth silicate materials.

周邦阳, 崔永静, 王长亮 等.

稀土硅酸盐环境障涂层研究进展

[J]. 材料工程, 2023, 51(12): 12

DOI      [本文引用: 1]

陶瓷基复合材料凭借耐高温、低密度、高温力学性能优异等特性，成为高性能航空发动机热端部件的理想材料。然而，在发动机服役环境下，陶瓷基复合材料面临严重的水汽腐蚀问题，必须在其表面涂覆环境障涂层以延长使用寿命。稀土硅酸盐因具有与基体适配的热膨胀系数、优异的抗水氧腐蚀性能和高温稳定性，是新一代环境障涂层的主要候选材料。本文综述了稀土硅酸盐的特性、制备技术与典型服役性能，重点讨论了稀土硅酸盐分类、热/物理特性以及高温腐蚀过程中的损伤机制和失效机理。最后，提出了多组元稀土硅酸盐高熵化设计以及新型热/环境障涂层体系设计的研究方向，以期为稀土硅酸盐材料的进一步应用提供有益参考。

Cong K, Gao X Z, Zhang B P.

Development of environmental barrier coatings for aero-engines

[J]. J. Propul. Technol., 2021, 42: 2161

丛 凯, 高贤志, 张宝鹏.

航空发动机用环境障涂层的发展

[J]. 推进技术, 2021, 42: 2161

Bai B T, Zhang D M, Ji X J, et al.

Research progress on the selection of materials for environmental barrier coating

[J]. Therm. Spray Technol., 2022, 14(3): 1

白博添, 章德铭, 冀晓鹃 等.

环境障涂层选材研究进展

[J]. 热喷涂技术, 2022, 14(3): 1

Wang J N, Wang C H, Wang Y, et al.

Review of rare earth silicate environmental barrier coatings

[J]. China Surf. Eng., 2021, 34(6): 21

[本文引用: 1]

王佳宁, 王超会, 王 铀 等.

稀土硅酸盐环境障涂层综述

[J]. 中国表面工程, 2021, 34(6): 21

DOI      [本文引用: 1]

硅基非氧化物陶瓷材料因其质量轻、强度高、韧性大等优点和其上的环境障涂层，广泛用于民用或军用飞机发动机的热端部件，但目前所用的传统环境障涂层保护效果并不理想。因此对新发展的稀土硅酸盐环境障涂层进行深入研究，以使其能广泛用于高推重比发动机上具有重要意义。稀土硅酸盐环境障涂层相较于传统环境障涂层，具有更好的隔热性、与基体更匹配的热膨胀系数(二硅酸镱)及优异的抗腐蚀性能，如稀土硅酸镱盐具有良好的抗水氧和抗熔盐腐蚀性能，这些性能能够有效提高硅基陶瓷及涂层在发动机恶劣环境下的使用寿命，目前已成为飞机的首选防护涂层材料，从而成为环境障涂层材料领域研究的热点。从稀土硅酸盐环境涂层的主要应用研究背景、发展历程、制备方法、涂层性能、失效机理等方面系统阐述其各种特点，提出目前稀土硅酸盐环境障涂层易失效的多种原因，以及工艺制备和性能模拟测试方面的不足之处，为未来的涂层改进和研究发展指明了方向。

Olson D H, Deijkers J A, Quiambao-Tomko K, et al.

Evolution of microstructure and thermal conductivity of multifunctional environmental barrier coating systems

[J]. Mater. Today Phys., 2021, 17: 100304

[本文引用: 1]

Lee K N, Miller R A.

Development and environmental durability of mullite and Mullite/YSZ Dual layer coatings for SiC and Si3N4 ceramics

[J]. Surf. Coat. Technol., 1996, 86-87: 142

[本文引用: 1]

Zhou B Y, Cui Y J, Wang C L, et al.

Effect of plasma spraying parameters on microstructure and property of the BSAS based abradable environmental barrier coatings

[J]. Therm. Spray Technol., 2023, 15(2): 42

[本文引用: 1]

周邦阳, 崔永静, 王长亮 等.

等离子喷涂工艺参数对BSAS基可磨耗环境障涂层组织性能影响

[J]. 热喷涂技术, 2023, 15(2): 42

[本文引用: 1]

Chen L, Yang G J, Li C X, et al.

Thermally sprayed ceramic coatings for wear-resistant application and coating structure tailoring towards advanced wear-resistant coatings

[J]. Adv. Ceram., 2016, 37(1): 3

[本文引用: 1]

陈 林, 杨冠军, 李成新 等.

热喷涂陶瓷涂层的耐磨应用及涂层结构调控方法

[J]. 现代技术陶瓷, 2016, 37(1): 3

[本文引用: 1]

Zhuang M X, Du Y Y, Yuan J H, et al.

Research progress of high temperature failure of plasma sprayed environmental barrier coatings

[J]. China Surf. Eng., 2020, 33(3): 33

[本文引用: 1]

庄铭翔, 都业源, 袁建辉 等.

等离子体喷涂环境障涂层高温失效研究进展

[J]. 中国表面工程, 2020, 33(3): 33

[本文引用: 1]

Richards B T, Wadley H N G.

Plasma spray deposition of tri-layer environmental barrier coatings

[J]. J. Eur. Ceram. Soc., 2014, 34: 3069

[本文引用: 2]

Richards B T, Young K A, de Francqueville F, et al.

Response of ytterbium disilicate-silicon environmental barrier coatings to thermal cycling in water vapor

[J]. Acta Mater., 2016, 106: 1

[本文引用: 2]

Liu Y W, Nong Z S.

Research status of ceramic coatings prepared by sol-gel method

[J]. Mater. Prot., 2023, 56(5): 173

[本文引用: 2]

刘雨薇, 农智升.

溶胶—凝胶法制备陶瓷涂层的研究现状

[J]. 材料保护, 2023, 56(5): 173

DOI      [本文引用: 2]

陶瓷涂层具有硬度高、耐磨耐蚀性能优异等优点而成为目前研究的热点,溶胶-凝胶技术是制备陶瓷涂层成熟简便的方法之一。综述了国内外采用溶胶-凝胶技术制备陶瓷涂层的体系设计、涂层的物化性能等方面的研究成果,对比分析了现阶段几种陶瓷涂层存在的问题,并对其延伸技术和发展前景进行了总结和展望,可为今后设计制备性能优良和性价比高的陶瓷涂层提供一定的参考。

Yan Z, Peng H R, Ji X J, et al.

Preparation of Yb2Si2O7 precursor and its agglomerated powder for low pressure plasma spraying

[J]. Therm. Spray Technol., 2022, 14(3): 38

[本文引用: 1]

颜 正, 彭浩然, 冀晓鹃 等.

Yb2Si2O7前驱体及其低压等离子喷涂用粉末制备研究

[J]. 热喷涂技术, 2022, 14(3): 38

[本文引用: 1]

Yilmaz E, Paksoy A H, Gibson G, et al.

Constrained sintering and thermal ageing behaviour of electrophoretically deposited Yb2Si2O7 environmental barrier coating

[J]. J. Eur. Ceram. Soc., 2023, 43: 6427

[本文引用: 2]

Chen H F, Klemm H.

Environmental barrier coatings for silicon nitride

[J]. Key Eng. Mater., 2011, 484: 139

[本文引用: 2]

Zhang H B, Duan W H, Zhang T, et al.

Research overview of thermal barrier coating materials

[J]. Mater. Prot., 2022, 55(7): 177

[本文引用: 1]

张洪博, 段文皓, 张 涛 等.

热障涂层材料研究概述

[J]. 材料保护, 2022, 55(7): 177

[本文引用: 1]

Xu B S, Liu S C. China Material Engineering Ceremony: Material Surface Engineering (Part I) [M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2006: 58

[本文引用: 2]

徐滨士, 刘世参. 中国材料工程大典: 材料表面工程(上) [M]. 北京: 化学工业出版社, 2006: 58

[本文引用: 2]

Zhang Y, Guo L L, Ju L Y, et al.

Analysis of flow field and particle characteristics of atmospheric plasma spraying

[J]. Powder Metall. Ind., 2024, 34(2): 49

[本文引用: 1]

张 勇, 郭龙龙, 鞠录岩 等.

大气等离子喷涂流场与粒子特性分析

[J]. 粉末冶金工业, 2024, 34(2): 49

[本文引用: 1]

Wang H Y, Zhang J, Sun L C, et al.

Microstructure and phase composition evolution of dual-phase ytterbium silicate coatings plasma sprayed from stoichiometric Yb2Si2O7 feedstock powder

[J]. Surf. Coat. Technol., 2022, 437: 128373

[本文引用: 3]

Li G R, Wang L S, Yang G J.

Achieving self-enhanced thermal barrier performance through a novel hybrid-layered coating design

[J]. Mater. Des., 2019, 167: 107647

[本文引用: 1]

Yang B, Li G R, Xu T, et al.

Densification method of air-plasma-sprayed environmental barrier coatings achieved by pre-heat treatment

[J]. J. Mater. Eng., 2021, 49(11): 116

DOI      [本文引用: 1]

High density of the top coat of environmental barrier coatings (EBC) is important for ensuring its performance in water vapor environment, which is also significant for prolonging service lifetime of SiC<sub>f</sub>/SiC aero-engine hot components. In this work, densification of the top coat of EBC was achieved by pre-heat treatment. In detail, the as-sprayed porous Yb<sub>2</sub>SiO<sub>5</sub> coatings were heat-treated at the high temperature of 1250℃ to 1450℃, which improve the density significantly. Changes in microstructure and mechanical properties during the pre-heat treatment were studied by classifying defects into different types. The processes of defects-healing were observed, and the mechanism responsible for coating densification was revealed. Results show that the porosity of as-sprayed Yb<sub>2</sub>SiO<sub>5</sub> coating is high due to the existence of three types of micro-defects, including two-dimensional (2D) inter-splat pores, 2D intra-splat cracks and three-dimensional (3D) spherical pores. During the pre-heat treatment process, 2D defects are healed to be reduced in a large amount in a short duration, while the 3D spherical pores seem unchanged. The mechanism of defects-healing in the heat treatment process is that grain growth inside the coating makes surface of the pores rough, which leads to multiple bridge-connection of 2D pores. As a result, the original continuous defects are divided into several sections and are further spheroidized. The method of pre-heat treatment for APS-EBC would make a fundamental contribution to its further engineering application.

杨 博, 李广荣, 徐 彤 等.

大气等离子喷涂环境障涂层的预热处理致密化方法

[J]. 材料工程, 2021, 49(11): 116

[本文引用: 1]

Guo Q, He W T, He J, et al.

Characterization of Yb2SiO5-based environmental barrier coating prepared by plasma spray-physical vapor deposition

[J]. Ceram. Int., 2022, 48: 19990

[本文引用: 1]

Zhang X, Liu M, Zhang X F, et al.

Research progress of high temperature protective coatings by plasma spray-physical vapor deposition

[J]. China Surf. Eng., 2018, 31(5): 39

[本文引用: 1]

张 啸, 刘 敏, 张小锋 等.

等离子喷涂-物理气相沉积高温防护涂层研究进展

[J]. 中国表面工程, 2018, 31(5): 39

[本文引用: 1]

Deng C M, Xiao J, Cao J X, et al.

Research progress of PS-PVD rare earth high temperature functional coatings

[J]. Mater. Res. Appl., 2019, 13(3): 247

[本文引用: 3]

邓春明, 肖 娟, 曹家旭 等.

等离子喷涂-物理气相沉积稀土高温功能涂层研究进展

[J]. 材料研究与应用, 2019, 13(3): 247

[本文引用: 3]

Presby M J, Harder B J.

Solid particle erosion of a plasma spray-physical vapor deposition environmental barrier coating in a combustion environment

[J]. Ceram. Int., 2021 47: 24403

[本文引用: 3]

Xiao S K, Li J Z, Huang P X, et al.

Evaluation of environmental barrier coatings: a review

[J]. Int. J. Appl. Ceram. Technol., 2023, 20: 2055

[本文引用: 1]

Carpenter M A, Salje E K H, Graeme-Barber A.

Spontaneous strain as a determinant of thermodynamic properties for phase transitions in minerals

[J]. Eur. J. Mineral., 1998, 10: 621

[本文引用: 1]

Bakan E, Vaßen R.

Oxidation kinetics of atmospheric plasma sprayed environmental barrier coatings

[J]. J. Eur. Ceram. Soc., 2022, 42: 5122

[本文引用: 1]

Hu X P, Jiang W H, Li B.

High Temperature water oxygen corrosion mechanism of ytterbium disilicate environmental barrier coatings

[J]. Mater. Prot., 2024, 57(3): 63

[本文引用: 2]

胡祥鹏, 蒋文昊, 李 彪.

双硅酸镱环境障涂层的高温水氧腐蚀机理研究

[J]. 材料保护, 2024, 57(3): 63

[本文引用: 2]

Richards B T, Begley M R, Wadley H N G.

Mechanisms of ytterbium monosilicate/mullite/silicon coating failure during thermal cycling in water vapor

[J]. J. Am. Ceram. Soc., 2015, 98: 4066

[本文引用: 1]

Bakan E, Sohn Y J, Kunz W, et al.

Effect of Processing on high-velocity water vapor recession behavior of Yb-silicate environmental barrier coatings

[J]. J. Eur. Ceram. Soc., 2019, 39: 1507

[本文引用: 2]

Bakan E, Kindelmann M, Kunz W, et al.

High-velocity water vapor corrosion of Yb-silicate: sprayed vs. sintered body

[J]. Scr. Mater., 2020, 178: 468

[本文引用: 2]

Wang C.

Deposition characteristics and corrosion mechanism under water vapor of Yb2SiO5 environmental barrier coatings

[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2020

[本文引用: 2]

王 超.

Yb2SiO5环境障涂层沉积特性及水蒸气腐蚀机制

[D]. 广州: 华南理工大学, 2020

[本文引用: 2]

Guo X T, Zhang Y L, Li T, et al.

High-entropy rare-earth disilicate (Lu0.2Yb0.2Er0.2Tm0.2Sc0.2)2Si2O7: a potential environmental barrier coating material

[J]. J. Eur. Ceram. Soc., 2022, 42: 3570

[本文引用: 5]

Poerschke D L, Jackson R W, Levi C G.

Silicate deposit degradation of engineered coatings in gas turbines: progress toward models and materials solutions

[J]. Annu. Rev. Mater. Res., 2017, 47: 297

[本文引用: 3]

Turcer L R, Krause A R, Garces H F, et al.

Environmental-barrier coating ceramics for resistance against attack by molten calcia-magnesia-aluminosilicate (CMAS) glass: part II, β-Yb2Si2O7 and β-Sc2Si2O7

[J]. J. Eur. Ceram. Soc., 2018. 38: 3914

[本文引用: 3]

Costa G C C, Jacobson N S.

Mass spectrometric measurements of the silica activity in the Yb2O3-SiO2 system and implications to assess the degradation of silicate-based coatings in combustion environments

[J]. J. Eur. Ceram. Soc., 2015, 35: 4259

[本文引用: 1]

Duffy J A.

Acid-base reactions of transition metal oxides in the solid state

[J]. J. Am. Ceram. Soc., 1997, 80: 1416

Turcer L R, Krause A R, Garces H F.

Environmental-barrier coating ceramics for resistance against attack by molten calcia-magnesia-aluminosilicate (CMAS) glass: part I, YAlO3 and γ-Y2Si2O7

[J]. J. Eur. Ceram. Soc., 2018, 38: 3905

[本文引用: 1]

Du Z, Chen L, Meng G H, et al.

Research progresses on modification technology and application of enamel coating

[J]. Mater. Prot., 2023, 56(4): 158

[本文引用: 1]

杜 撰, 陈 林, 孟国辉 等.

搪瓷涂层改性技术及应用研究进展

[J]. 材料保护, 2023, 56(4): 158

[本文引用: 1]

Paksoy A H, Martins J P, Cao H T, et al.

Influence of alumina addition on steam corrosion behaviour of ytterbium disilicates for environmental barrier coating applications

[J]. Corros. Sci., 2022, 207: 110555

[本文引用: 2]

Yang B.

Densification of APS-Yb2Si2O7 environmental barrier coa-tings and property of water vapor corrosion resistance

[D]. Xi'an: Xi'an Jiaotong University, 2021

[本文引用: 3]

杨 博.

等离子喷涂Yb2Si2O7环境障涂层的致密化研究方法与抗水氧腐蚀性能研究

[D]. 西安: 西安交通大学, 2021

[本文引用: 3]

Wen Z L, Xiao P, Li Z, et al.

Thermal cycling behavior and oxidation resistance of SiC whisker-toughened-mullite/SiC coated carbon/carbon composites in burner rig tests

[J]. Corros. Sci., 2016, 106: 179

[本文引用: 1]

Dong L, Liu M J, Zhang X F, et al.

Improved water vapor resistance of environmental barrier coatings densified by aluminum infiltration

[J]. Ceram. Int., 2022, 48: 23638

[本文引用: 3]

Lü K Y, Dong S J, Huang Y, et al.

Thermal shock behavior of La-MgAl11O19/Yb2Si2O7/Si thermal/environmental barrier coatings with LaMgAl11O19-LiAlSiO4 transition layer

[J]. Surf. Coat. Technol., 2022, 443: 128

[本文引用: 3]

Singhal S C, Lange F F.

Effect of alumina content on the oxidation of hot-pressed silicon carbide

[J]. J. Am. Ceram. Soc., 1975, 58: 433

[本文引用: 1]

Chen L, Wang W J, Li J H, et al.

Suppressing the phase-transition-induced cracking of SiO2 TGOs by lattice solid solution

[J]. J. Eur. Ceram. Soc., 2023, 43: 3201

[本文引用: 2]

Harder B J.

Oxidation performance of Si-HfO2 environmental barrier coating bond coats deposited via plasma spray-physical vapor deposition

[J]. Surf. Coat. Technol., 2020, 384: 125311

[本文引用: 1]

Chen L, Luo J C, Yang W Q, et al.

Durable dual-state duplex Si-HfO2 with excellent oxidation and cracking resistance [J] J

Adv. Ceram., 2024, 13: 388

[本文引用: 3]

Miyazaki T, Usami S, Arai Y, et al.

Oxidation behavior of ytterbium silicide in air and steam

[J]. Intermetallics, 2021, 128: 106

[本文引用: 1]

Golden R A, Opila E J.

High-temperature oxidation of yttrium silicides

[J]. J. Mater. Sci., 2018, 53: 3981

[本文引用: 1]

Wang W J, Luo J C, Chen L, et al.

One-step multi-compositional oxidation of YSi alloy: experiments and Ab initio computation

[J]. J. Mater. Sci. Technol., 2023, 158: 253

DOI      [本文引用: 3]

YSi alloy is a promising candidate as oxidation resistant coatings for both the bond coat of environmental barrier coatings (EBCs) and anti-ablation coatings at a high temperature of ∼1300 &#x000b0;C. In this study, a one-step multi-compositional oxidation by rapid heating oxidation mode is proposed to reduce the oxidation rate by 3.6 times compared to conventional slow heating oxidation mode. Results show that preferentially formed Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub> oxide initiates a multi-step oxidation, produces a cracking and porous oxides, and thereby resulting in a fast oxidation with pesting. The one-step multi-compositional oxidation with a compact and dense Y<sub>2</sub>Si<sub>2</sub>O<sub>7</sub> scale contributes to the much better oxidation resistance for rapid heating oxidation mode of YSi alloy. The stable formation of Y<sub>2</sub>Si<sub>2</sub>O<sub>7</sub> scale is comprehensively understood by the energy barrier, charge density and electronic level based on density functional theory. This study demonstrates a promising application of YSi alloy by rapid heating oxidation mode.

/

〈 〉


版权所有 © 2017 《中国腐蚀与防护学报》编辑部　
地址: 沈阳市文化路72号, 中国科学院金属研究所(110016)
电话: +86-024-23971318，024-23971819　E-mail: jcscp@imr.ac.cn
本系统由北京玛格泰克科技发展有限公司设计开发 技术支持：support@magtech.com.cn