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

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((xRE_(1/x))_(2)Si_(2)O_(7))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-Al_(2)O_(3)-SiO_(2))腐蚀能力,本工作设计制备了一种新型高熵(Y_(0.25)Yb_(0.25)Er_(0.25)Tm_(0.25))_(2)Si_(2)O_(7)/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Ca^(2+)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,(Y_(0.25)Yb_(0.25)Er_(0.25)Tm_(0.25))_(2)Si_(2)O_(7)/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。

高熵稀土盐类热障/环境障陶瓷涂层体系研究进展

高熵陶瓷是近年来新型陶瓷研究领域的一大热点,在航空工业领域有着巨大的发展和应用前景。基于高熵策略设计的高熵氧化物陶瓷涂层可以较好地解决当前热障/环境障涂层在高温下服役寿命、抗氧化性、抗CMAS(钙镁铝硅氧化物)腐蚀等关键性能不足的问题。综述了近几年不同体系的五元高熵稀土盐类材料在热障/环境障涂层领域作为候补材料的研究进展,总结了该类材料在结构、性能及主要应用领域方面的特点。最后展望了高熵稀土盐类陶瓷涂层的发展方向,为新材料体系的进一步研发和关键性能优化提供思路。

高熵化设计:稀土硅酸盐材料关键性能优化新策略

环境障涂层是先进航空发动机高温结构部件用碳化硅纤维增强碳化硅(SiCf/SiC)陶瓷基复合材料的关键防护。稀土硅酸盐具有低热膨胀系数、优良的抗水氧/CMAS腐蚀性能以及与硅基陶瓷良好的化学相容性,是目前国际公认的优选环境障涂层体系。常规含单一稀土元素的稀土硅酸盐环境障涂层材料,存在热应力失配、高温相转变和耐腐蚀性能差等问题,尚无法完全满足极端燃气环境中的长寿命服役要求。本综述介绍了为解决稀土硅酸盐环境障涂层的关键性能局限,利用高熵化合物设计方法,针对稀土硅酸盐热学性能(热膨胀系数和热导率)调控、耐CMAS腐蚀性能提升和相结构稳定性优化方面获得的新进展。这些研究进展为稀土硅酸盐材料的创新设计提供了新思路,为其作为下一代环境障涂层的性能突破提供了支撑。

高熵稀土铝酸盐双陶瓷涂层的制备及热防护性能研究

随着航空航天技术的发展,热防护涂层服役温度逐渐提高,亟需寻找新一代涂层材料。本研究通过固相烧结法制备高熵稀土铝酸盐(Y_(0.2)Yb_(0.2)Lu_(0.2)Eu_(0.2)Er_(0.2))_(3)Al_(5)O_(12)(HE-RE_(3)Al_(5)O_(12))陶瓷粉体,采用大气等离子喷涂技术在高温合金基体上实现HE-RE_(3)Al_(5)O_(12)/YSZ和HE-RE_(3)Al_(5)O_(12)/Al_(2)O_(3)双陶瓷涂层有效沉积。分析了双陶瓷涂层的相结构及微观组织演变规律,并开展了其在高温氧乙炔焰流热冲击循环作用下的热防护性能研究。结果表明,氧乙炔火焰加热涂层表面温度至1400℃,并在目标温度下停留200 s时,HE-RE_(3)Al_(5)O_(12)/YSZ和HE-RE_(3)Al_(5)O_(12)/Al_(2)O_(3)涂层样品(HE-RE_(3)Al_(5)O_(12)涂层厚度为200μm)能够分别实现有效温降约为665℃和545℃。HE-RE_(3)Al_(5)O_(12)/YSZ双陶瓷涂层在1400℃-200 s热循环下的寿命为20次左右,且该涂层的抗热震性能明显优于HE-RE_(3)Al_(5)O_(12)/Al_(2)O_(3)涂层。基于高熵涂层的热防护行为演变特征,推测在高温焰流循环作用过程中涂层内部所产生的热失配应力是引起双陶瓷涂层失效的主要原因。本研究工作基于新型双陶瓷涂层结构设计,有效扩展了高熵稀土铝酸盐涂层材料在高温热防护领域中的应用前景。

(Y_(0.2)Gd_(0.2)Dy_(0.2)La_(0.2)Sm_(0.2))TaO_(4)高熵陶瓷材料的结构、性能及抗侵蚀行为研究

为满足新一代航空发动机对新型热障涂层材料的迫切需求,以高纯氧化物(Y_(2)O_(3)、Gd_(2)O_(3)、Dy_(2)O_(3)、Sm_(2)O_(3)、La_(2)O_(3)、Ta_(2)O_(5))为原料,按化学计量比配料,经1200~1750℃保温5 h固相反应,制备了高熵稀土钽酸盐(Y_(0.2)Gd_(0.2)Dy_(0.2)La_(0.2)Sm_(0.2))TaO_(4)材料,简称为(5RE_(0.2))TaO_(4)材料。研究了材料的物相组成、显微结构、热学性能、力学性能和抗CaO-MgO-Al_(2)O_(3)-SiO_(2)(CMAS)侵蚀行为。结果表明:1)(5RE_(0.2))TaO_(4)陶瓷材料为单斜结构,存在明显铁弹畴;2)该材料经1750℃烧后具有极低的热导率(1.65 W·m^(-1)·K^(-1),600℃)和较高的热膨胀系数(10.2×10^(-6)K^(-1),1200℃);3)由于独特的铁弹增韧效应,经1750℃烧后(5RE_(0.2))TaO4材料的断裂韧性达到2.4 MPa·m^(1/2);4)(5RE_(0.2))TaO_(4)与CMAS熔体作用后形成反应层,表现出了优异的抗侵蚀性能。

稀土钽酸盐(RETaO_(4))高熵陶瓷的制备与热学性能研究

采用固相法制备了三种具有单斜结构的单相固溶体稀土钽酸盐高熵陶瓷(Nd_(1/6)Sm_(1/6)Eu_(1/6)Gd_(1/6)Dy1/6Ho_(1/6))TaO_(4)(6RETaO_(4))、(Nd_(1/5)Sm_(1/5)Eu_(1/5)Gd_(1/5)Dy_(1/5))TaO_(4)(5RETaO_(4))和(Nd1/4Sm1/4Eu1/4Gd1/4)TaO_(4)(4RETaO_(4)),扫描透射电子显微镜-X射线能谱(STEM-EDS)的分析表明掺杂的稀土元素分布均匀。通过扫描电子显微镜(SEM)观察到由四方-单斜的二级铁弹相变形成的铁弹畴。热膨胀测试表明RETaO_(4)高熵陶瓷在1200℃以下具有良好的热稳定性,其中6RETaO_(4)的热膨胀系数可以达到9.25×10^(-6)K^(-1)(1200℃)。由于高熵效应带来的声子散射增加,RETaO_(4)高熵陶瓷具有较低的晶格热导率(2.98~1.23 W·m^(-1)·K^(-1),100~1000℃),并且表现出良好的力学性能(6RETaO_(4),(9.97±2.2)GPa),是潜在的下一代热障涂层材料。

双相高熵陶瓷(La_(0.2)Eu_(0.2)Gd_(0.2)Y_(0.2)Yb_(0.2))_(2)Zr_(2)O_(7)的制备与热物理性能

以La_(2)O_(3)、Eu_(2)O_(3)、Gd_(2)O_(3)、Y_(2)O_(3)、Yb_(2)O_(3)和ZrO_(2)粉末为原料,采用高温固相反应法制备(La_(0.2)Eu_(0.2)Gd_(0.2)Y_(0.2)Yb_(0.2))_(2)Zr_(2)O_(7)高熵陶瓷,确定了制备工艺,研究了其显微组织、物相组成以及热物理性能,分析其高温热稳定性。结果表明:在1 500℃烧结5h炉冷条件下,能得到固溶反应完全的双相高熵陶瓷,其呈现烧绿石/萤石双相共存特征,晶粒尺寸在200~800nm,且元素分布均匀;其800℃下的热导率约为8YSZ陶瓷的50%,热膨胀系数与8YSZ陶瓷相当,并具有良好的高温热稳定性。

以抗CMAS腐蚀为目标的稀土硅酸盐环境障涂层高熵化设计与性能提升

环境障涂层是大推力和高推重比航空发动机的关键材料,能够为碳化硅纤维增强碳化硅(SiCf/SiC)陶瓷基复合材料热端部件提供有效防护,阻挡燃气及环境腐蚀介质的侵蚀。稀土硅酸盐具有与SiC基复合材料匹配的热膨胀系数以及良好的化学相容性,是目前国际公认的优选环境障涂层体系。然而,目前已知稀土硅酸盐材料耐典型低熔点氧化物CaO-MgO-Al_(2)O_(3)-SiO_(2)(CMAS)腐蚀性能不足,难以满足新一代航空发动机1300℃及以上温度的工程应用需求。本文总结了近年来稀土硅酸盐耐CMAS腐蚀相关研究进展,重点介绍了本团队关于单一稀土主元单/双硅酸盐CMAS腐蚀机理的研究成果,以此为基础提出高熵化设计思路,旨在充分利用不同稀土元素在与CMAS反应过程中呈现的特性差异,通过合理设计多稀土主元搭配实现稀土硅酸盐材料耐CMAS腐蚀性能提升。最后对高熵稀土硅酸盐环境障涂层的发展方向进行了展望。

高熵(Y_(0.2)Gd_(0.2)Dy_(0.2)Ce_(0.2)La_(0.2))TaO_(4)陶瓷材料的热学、力学及抗熔融硅酸盐环境沉积物侵蚀性能

新型高温热障涂层材料已成为新一代航空发动机发展的关键材料。本工作通过固相反应法合成了一种单斜结构的高熵稀土钽酸盐材料(Y_(0.2)Gd_(0.2)Dy_(0.2)Ce_(0.2)La_(0.2))TaO_(4)[(5RE_(0.2))TaO_(4)],研究了其热、力学性能及抗熔融硅酸盐环境沉积物(CMAS)侵蚀性能。结果表明:(5RE_(0.2))TaO_(4)具有极低的热导率(1.22 W·m^(–1)·K^(–1),600℃)和较高的热膨胀系数(10.3×10^(–6)K^(–1),1 200℃),与YSZ材料相比(2.1~2.7 W·m^(–1)·K^(–1),100~900℃)热导率下降了近42%。由于独特的铁弹增韧效应,其断裂韧性达2.8 MPa·m^(1/2),优于多数新型热障涂层材料。1 350℃不同时间及CMAS侵蚀后,(5RE_(0.2))TaO_(4)反应层厚度和渗透深度均显著小于YSZ材料,是一种极具应用潜力的新型热障涂层材料。

面向先进热障涂层的陶瓷材料研究进展

热障涂层利用陶瓷层的隔热性和抗腐蚀性可以有效保护航空发动机或陆用燃气轮机中热端部件的合金基体。然而,不断追求更高的服役温度会导致表面涂层的降解、分层和过早失效。为了满足未来先进热障涂层系统的服役需求,必须开发新的陶瓷材料。本文综述了近年来先进热障涂层陶瓷材料的研究进展,包括氧化钇部分稳定氧化锆(Yttria partially stabilized zirconia,YSZ)、A_(2)B_(2)O_(7)型化合物、稀土钽酸盐、稀土磷酸盐、高熵稀土陶瓷材料、磁铅石型六铝酸盐氧化物和自愈合材料,分别归纳了它们的性质和性能,总结各种材料现阶段发展的优势和不足,最后展望了热障涂层材料的发展方向,为开发新的热障涂层提供指导。

陶瓷基复合材料环境障涂层研究进展

本文阐述了用于陶瓷基复合材料表面防护的环境障涂层的工作机理及选材关键,列举了多种类型环境障涂层的抗氧化性能、高温水氧腐蚀性能、抗CMAS侵蚀性能的测试数据,得出以稀土硅酸盐作为面层的环境障涂层代表了未来环境障涂层发展的方向,稀土硅酸盐热膨胀系数差异造成的环境障涂层内残余应力的产生以及粘结层的氧化是导致涂层过早剥落失效的主要原因等结论,并论述了当前国内EBC涂层的研究发展,以期为未来航空发动机用环境障涂层材料的选择和高温水氧腐蚀的防护提供有益参考。

高熵铁弹性稀土钽酸盐热障涂层材料:(Y_(0.2)Dy_(0.2)Sm_(0.2)Yb_(0.2)Er_(0.2))TaO_(4)

热障涂层的作用在于为先进航空发动机热端部件提供热防护,保障其在高温环境中安全服役。低热导率和高断裂韧性一直是新型热障涂层材料选择的关键性能指标。本工作通过固相反应合成了一种性能优异的高熵稀土钽酸盐陶瓷(Y_(0.2)Dy_(0.2)Sm_(0.2)Yb_(0.2)Er_(0.2))TaO_(4)((5RE_(0.2))TaO_(4))。结果表明:(5RE_(0.2))TaO_(4)具有较低的热导率(1.68 W·m^(-1)·K^(-1)@900℃)和较高的热膨胀系数(10.0×10^(-6) K^(-1)@1200℃)。此外,由于独特的铁弹增韧效应,(5RE_(0.2))TaO_(4)具有较高的断裂韧性(2.6 MPa·m^(1/2))和较低的脆性指数(2.1μm^(-1/2))。鉴于高熵稀土钽酸盐陶瓷优异的综合性能,(5RE_(0.2))TaO_(4)在热障涂层材料领域具有良好的应用前景。

热障涂层材料体系研究现状及展望

随着先进航空发动机推进引擎向着高推动力和长服役寿命的方向发展,如今传统的含有6-8wt%的氧化钇稳定氧化锆(6-8YSZ)热障涂层材料体系,在服役温度1200℃以上时,YSZ陶瓷涂层会发生高温相变,产生涂层间的热应力,最终导致涂层剥落失效,因此新材料体系的引入和涂层结构的改进刻不容缓。本文介绍了传统YSZ的发展历史并且阐述了掺杂稀土氧化物稳定氧化锆、钙钛矿结构和稀土锆酸盐(A2Zr2O7)即烧绿石结构等陶瓷材料体系的研究进展和发展前景,并分析了新型氧化铪基体陶瓷热障涂层体系和高熵材料体系涂层研究现状和未来发展趋势,最后对新型热障涂层材料的问题和发展进行了总结和展望。