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环境障碍涂层研究综述

材料导报 2011年第19期25卷 32-38页

作者：陈旭洪智亮鲁琳静成来飞西北工业大学超高温结构复合材料国防科技重点实验室西安710072

环境障碍涂层(Environment barrier coating,EBC)能够解决构件在燃气环境中长时间腐蚀的问题,从而成为航空发动机材料研究的热点。从材料体系、制备工艺、性能考核和表征方法4个方面综述了目前EBC的研究成果。通过对目前国内外研究成果... 详细信息

环境障碍涂层(Environment barrier coating,EBC)能够解决构件在燃气环境中长时间腐蚀的问题,从而成为航空发动机材料研究的热点。从材料体系、制备工艺、性能考核和表征方法4个方面综述了目前EBC的研究成果。通过对目前国内外研究成果的总结和分析,提出了EBC当前研究存在的问题,并展望了EBC进一步研究的方向。

关键词：环境障碍涂层陶瓷基复合材料

Ba_(0.25)Sr_(0.75)Al_2Si_2O_8环境障碍涂层的制备与耐水腐蚀性能研究

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无机材料学报 2011年第7期26卷 701-706页

作者：鲁琳静成来飞洪智亮王一光张立同西北工业大学超高温结构复合材料国防科技重点实验室西安710072

以2D Cf/SiC为基底材料,采用浆料刷涂工艺制得Ba0.25Sr0.75Al2Si2O8(BSAS)环境障碍涂层,并研究了未涂覆BSAS涂层(Cf/SiC)和涂覆BSAS涂层(Cf/SiC-BSAS)的两种试样的耐水腐蚀性能.结果表明:采用浆料刷涂工艺涂覆,在高纯氩气保护气氛下,经1... 详细信息

以2D Cf/SiC为基底材料,采用浆料刷涂工艺制得Ba0.25Sr0.75Al2Si2O8(BSAS)环境障碍涂层,并研究了未涂覆BSAS涂层(Cf/SiC)和涂覆BSAS涂层(Cf/SiC-BSAS)的两种试样的耐水腐蚀性能.结果表明:采用浆料刷涂工艺涂覆,在高纯氩气保护气氛下,经1350℃高温烧结,可在Cf/SiC试样上制得致密且无明显缺陷的BSAS涂层,一次涂覆烧结的厚度约为15μm,三次涂覆烧结涂层的厚度可达50μm;在1250℃、50%H2O-50%O2、常压静态气氛下腐蚀100h后,Cf/SiC试样的重量和抗弯强度均发生明显下降,Cf/SiC-BSAS试样的重量基本不变,强度保持率高达90%以上.

关键词：环境障碍涂层浆料 BSAS 水腐蚀性能

稀土硅酸盐环境障碍涂层高温腐蚀行为与机制研究

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稀土硅酸盐环境障碍涂层高温腐蚀行为与机制研究

作者：王亚文中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所)

学位级别：硕士

陶瓷基复合材料(Ceramic matrix composites,CMCs)是新一代航空发动机热端部件的主要候选材料。服役过程中,CMCs受到水蒸气和熔盐等环境介质的腐蚀,导致其力学性能显著下降。CMCs表面制备环境障碍涂层(Environmental barrier coatings,E... 详细信息

陶瓷基复合材料(Ceramic matrix composites,CMCs)是新一代航空发动机热端部件的主要候选材料。服役过程中,CMCs受到水蒸气和熔盐等环境介质的腐蚀,导致其力学性能显著下降。CMCs表面制备环境障碍涂层(Environmental barrier coatings,EBCs)可以有效提高其环境耐久性。稀土硅酸盐具有低热导率、与CMCs相匹配的热膨胀系数、优异的相稳定性等特点,是具有应用潜力的环境障碍涂层材料。稀土硅酸盐种类繁多,其晶体结构有所差异,呈现不同的耐腐蚀性能。等离子体喷涂技术是制备环境障碍涂层的有效方法。喷涂过程中,稀土硅酸盐存在硅挥发现象,这使得涂层的物相发生变化,进一步影响涂层的高温腐蚀行为;稀土硅酸盐涂层主要用于EBCs多层体系的面层或中间层,体系存在界面、裂纹等,将影响腐蚀介质在涂层中的渗透或扩散。目前,以上因素对稀土硅酸盐涂层在高温腐蚀环境的腐蚀行为影响规律和机制,有待进一步探究。本文采用等离子体喷涂技术制备以下涂层:(1)四种稀土单硅酸盐(RESi O,RE=Gd,Y,Er或Yb)涂层;(2)不同物相组成的硅酸镱涂层(YSx涂层,YbO:Si O=1:x mol,x=0.5,1.0,1.5或2.0);(3)基体表面RESi O/YbSiO/Si(RE=Er或Yb)涂层体系。研究以上涂层体系分别在高温水蒸气和熔盐(Ca O-Mg O-AlO-Si O,CMAS)环境下的腐蚀行为与机制。获得主要研究结果有:1.稀土硅酸盐涂层在高温水蒸气环境中的腐蚀行为与机制研究发现,X2型单斜结构的RESi O(RE=Y,Er或Yb,空间群P2/c)涂层耐水蒸气腐蚀性能优于X1型单斜结构的GdSi O涂层(空间群C2/c),且随着RE半径减小,涂层耐蚀性增加,其中YbSi O涂层耐蚀性最好。四种RESi O涂层的腐蚀机制为表面REO以及RESi O晶粒与水蒸气反应,生成挥发性的RE(OH)和Si(OH),使其表面形成单相RESi O腐蚀层。物相组成不同的硅酸镱涂层中,富YbO涂层的耐蚀性能优于富YbSiO涂层,且YbSi O的稳定性优于YbO与YbSiO,YbO挥发或YbSiO分解均增加硅酸镱涂层表面的气孔含量,降低涂层的耐蚀性能。2.稀土硅酸盐涂层高温CMAS熔盐腐蚀行为与机制研究发现,X2-RESi O(RE=Y,Er或Yb)涂层耐蚀性能优于X1-GdSi O涂层,其中YbSi O涂层耐蚀性较好。涂层的腐蚀机制为RESi O涂层与CMAS熔体反应,消耗Ca、Si或Al并在涂层表面生成CaRE(Si O)O与REAlO两相产物层,缓解CMAS渗透,其中X1-GdSi O涂层仅析出CaGd(Si O)O。随RE半径逐渐减小,X2-RESi O涂层易析出REAlO相,这可降低涂层损耗量,从而呈现较好的耐蚀性。物相组成不同的硅酸镱涂层中,富YbO涂层的耐蚀性能优于富YbSiO涂层,且随着YbSiO含量增加,涂层的耐蚀性能下降。YbO可加速熔体中Si O的消耗,并促进YbAlO的析出,而YbSiO与CMAS反应消耗Ca O的同时生成Si O,Si O溶解于CMAS熔体中,使得CMAS消耗缓慢,从而导致涂层渗透与腐蚀现象严重。3.RESi O/YbSiO/Si(RE=Er或Yb)涂层体系高温腐蚀行为与失效机制研究发现,涂层之间存在热失配,使得面层RESi O涂层产生贯穿裂纹,将加速腐蚀介质(水蒸气、CMAS)向涂层内部渗透。水蒸气腐蚀过程中,RESi O与YbSiO涂层产生较多气孔,进一步加速O扩散并使Si涂层氧化生成Si O层(Thermally grown oxide,TGO),且由于Si O相变以及水蒸气腐蚀现象,涂层内部产生横向裂纹。CMAS熔盐腐蚀过程中,面层RESi O表面观察到CaYb(Si O)O腐蚀层存在。同时,发现CMAS沿裂纹向中间层和结合层渗透,YbSiO与Si部分溶解于CMAS中,导致涂层体系结构破坏。

关键词：环境障碍涂层稀土硅酸盐等离子体喷涂高温水蒸气腐蚀高温熔盐腐蚀

物相组成对稀土硅酸盐环境障碍涂层结构与性能影响研究

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物相组成对稀土硅酸盐环境障碍涂层结构与性能影响研究

作者：朱涛中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所)

学位级别：硕士

硅基陶瓷材料具有密度低、高温力学性能优良等特点,有望成为新一代航空发动机用部件材料,但其抗高温水蒸气腐蚀性能较差,制备环境障碍涂层(Environment barrier coating,EBC)是解决该问题的关键。稀土硅酸盐具备良好的抗高温水蒸气腐蚀... 详细信息

硅基陶瓷材料具有密度低、高温力学性能优良等特点,有望成为新一代航空发动机用部件材料,但其抗高温水蒸气腐蚀性能较差,制备环境障碍涂层(Environment barrier coating,EBC)是解决该问题的关键。稀土硅酸盐具备良好的抗高温水蒸气腐蚀性、热稳定性和合适的热膨胀系数,是最具潜力的环境障碍涂层材料。大气等离子体喷涂技术是制备环境障碍涂层的有效方法。等离子体喷涂过程具有高温、高速、急冷等特点,使得所制备的稀土硅酸盐涂层相组成、显微结构和基本性能发生显著变化,因此研究稀土硅酸盐涂层物相组成变化对其结构与性能的影响较为必要。本文采用大气等离子体喷涂法制备四种RESiO(RE=Y,Gd,Er,Yb)涂层,以及通过调节原料粉体YbO/SiO的摩尔比例,制备不同物相组成的硅酸镱涂层,通过考察涂层的相组成、微观结构、基本热学力学性能和抗高温水蒸气腐蚀性能,探查涂层微观结构与性能之间的关系,同时在硅基陶瓷基体表面构建EBC涂层体系,研究其抗热震性能和失效机理。获得的主要结果如下:1.采用固相烧结法制备四种RESiO粉体与多种不同物相组成的硅酸镱粉体。粉体粒度分布均匀、流动性好。采用上述粉体制备涂层,涂层的微观结构均匀,颗粒熔融状态较好。2.四种RESiO涂层均含有REO和非晶相,具有典型的层状结构,其中GdSiO涂层内含有较多微裂纹。四种RESiO涂层弹性模量和硬度等力学性能相近,都具有优异的高温相稳定性和优异的抗高温水蒸气腐蚀性能。YSiO、ErSiO、YbSiO涂层相比于GdSiO涂层,具有与硅基陶瓷基体较为相近的热膨胀系数,热循环过程中产生热应力较小,具有较优的抗热震性能。3.富YbO硅酸镱涂层主要由YbO和YbSiO相组成,结晶度较高,涂层的层状结构明显,片层间结合较差,含有较多的YbO柱状晶,涂层内有较多裂纹。富SiO硅酸镱涂层主要由YbSiO和YbSiO相组成,结晶度较低,片层间结合紧密,无柱状晶形成,涂层中含有较多气孔。4.富YbO和富SiO的硅酸镱涂层弹性模量和硬度均低于YbSiO涂层。富SiO硅酸镱涂层相比于富YbO硅酸镱涂层具有较小的热膨胀系数、较高的热导率、较优异的抗热震性能。热循环过程中,产生的热应力是导致富YbO涂层失效的主要原因,YSx/Si双层环境障碍涂层中,硅粘结层表面产生的SiO氧化层亦加速涂层的失效。不同物相组成的硅酸镱涂层经高温水蒸气腐蚀后,表面均生成致密YbSiO层,可有效阻止腐蚀物质向涂层内部扩散,使涂层具有优异的抗高温水蒸气腐蚀性能。5.经高温热处理,富YbO硅酸镱涂层的裂纹愈合现象显著,其弹性模量、硬度、热膨胀系数均明显增大。高温热处理的富SiO硅酸镱涂层表面生成较大的晶粒并伴随有穿晶裂纹产生,其热导率显著增加。

关键词：稀土硅酸盐环境障碍涂层大气等离子体喷涂抗热震性能高温稳定性能

稀土硅酸盐环境障碍涂层高温腐蚀行为与机理研究

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稀土硅酸盐环境障碍涂层高温腐蚀行为与机理研究

Ba_(1-x)Sr_xAl_2Si_2O_8体系环境障碍涂层材料在1000℃空气环境下的抗熔盐腐蚀性能研究

中国稀土学会2021学术年会

作者：郑学斌王亚文钟鑫牛亚然丁传贤中国科学院上海硅酸盐研究所

陶瓷基复合材料(Ceramic matrix composites,CMCs)是新一代航空发动机热端部件的主要候选材料。服役过程中,CMCs受到水蒸气和熔盐等环境介质的腐蚀,易于导致力学性能下降,在其表面制备环境障碍涂层(Environmental barrier coatings,EBCs... 详细信息

陶瓷基复合材料(Ceramic matrix composites,CMCs)是新一代航空发动机热端部件的主要候选材料。服役过程中,CMCs受到水蒸气和熔盐等环境介质的腐蚀,易于导致力学性能下降,在其表面制备环境障碍涂层(Environmental barrier coatings,EBCs)可以有效提高其环境耐久性。稀土硅酸盐具有低热导率、与CMCs相匹配的热膨胀系数、优异的相稳定性等特点,是具有应用潜力的环境障碍涂层材料。本报告采用等离子喷涂技术制备多种稀土硅酸盐涂层(RE=Gd,Y,Er,Yb,etc),系统研究涂层材料体系分别在高温水蒸气和熔盐(CaO-MgO-AlO-SiO,CMAS)环境下的腐蚀行为。研究发现,X2型单斜结构的RESiO(RE=Y,Er或Yb,空间群P21/c)涂层的耐水蒸气腐蚀和耐CMAS熔盐腐蚀能力均优于X1型单斜结构的GdSiO涂层(空间群C2/c),而且其耐高温腐蚀性能与稀土离子半径相关。报告还讨论了所涉及的相关机理。

关键词：环境障碍涂层稀土硅酸盐高温水蒸气腐蚀,高温熔盐腐蚀

来源： cnki会议评论

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材料导报 2013年第4期27卷 4-7,11页

作者：胡飞王一光刘佳杨娟成来飞张立同西北工业大学超高温结构复合材料重点实验室西安710072

采用溶胶-凝胶法制备了3种不同钡锶物质的量比的Ba1-xSrxAl2Si2O8(BSAS)体系粉体材料,其钡、锶物质的量比分别为1∶0、0.75∶0.25、0∶1。将烧结得到的BSAS块体材料表面喷涂(8.5±0.2)mg/cm2的Na2SO4后,置于1000℃空气环境中进行熔盐腐... 详细信息

采用溶胶-凝胶法制备了3种不同钡锶物质的量比的Ba1-xSrxAl2Si2O8(BSAS)体系粉体材料,其钡、锶物质的量比分别为1∶0、0.75∶0.25、0∶1。将烧结得到的BSAS块体材料表面喷涂(8.5±0.2)mg/cm2的Na2SO4后,置于1000℃空气环境中进行熔盐腐蚀实验,研究其抗熔盐腐蚀性能。根据样品质量随腐蚀时间的变化,结合X射线衍射(XRD)和扫描电镜形貌分析(SEM)等结果,揭示其抗熔盐腐蚀机理。结果表明,B0.75S0.25AS腐蚀100h后质量变化最小,XRD分析其成分未发生明显变化,说明B0.75S0.25AS在1000℃时的抗熔盐腐蚀性能优于其它物质的量比的BSAS材料。

关键词： BSAS 熔盐腐蚀质量变化环境障碍涂层

2.5D编织陶瓷基复合材料环境障碍涂层损伤模拟

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2.5D编织陶瓷基复合材料环境障碍涂层损伤模拟

硅酸镱环境障碍涂层高温CMAS腐蚀行为与机制研究

第二十一届全国复合材料学术会议（NCCM-21)

作者：方光武高希光宋迎东安徽工业大学机械工程学院南京航空航天大学航空发动机热环境与热结构工信部重点实验室

采用数值模拟方法研究了2.5D编织预制体对陶瓷基复合材料环境障碍涂层损伤机制的影响。基于代表体单元思想,建立了包含涂层的复合材料二维细观有限元模型。模型中采用三角函数描述2.5D编织预制体中经纱的走向。以2.5D编织SiC/SiC复合材... 详细信息

采用数值模拟方法研究了2.5D编织预制体对陶瓷基复合材料环境障碍涂层损伤机制的影响。基于代表体单元思想,建立了包含涂层的复合材料二维细观有限元模型。模型中采用三角函数描述2.5D编织预制体中经纱的走向。以2.5D编织SiC/SiC复合材料及Si/Mullite/Yb2Si O5涂层为研究对象,首先对涂层制备完成后的冷却过程进行了热力学模拟,然后分别模拟了不同氧化增长层厚度下涂层的热应力,通过对比分析了氧化增长层厚度对涂层损伤的影响机制。结果表明:对于所研究的涂层体系,冷却过程在EBCs的各层中引起了较大的热残余应力;编织结构对EBCs中的应力分布具有显著的影响,2.5D编织CMCs的经纱走向波动较大,使得涂层中应力沿着经纱的波动显著,波动幅度可以达到100MPa;氧化增长层中存在较大的面内应力,利于垂直裂纹的扩展,同时还存在沿厚度方向的应力,可以驱动分层裂纹的扩展。

关键词：陶瓷基复合材料环境障碍涂层损伤机制热残余应力有限元法

来源： cnki会议评论

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硅酸镱环境障碍涂层高温CMAS腐蚀行为与机制研究

Yb2SiO5-Yb2Si2O7环境障碍涂层制备及抗高温水氧腐蚀机理研究

中国稀土学会2021学术年会

作者：钟鑫王亚文牛亚然郑学斌丁传贤中国科学院上海硅酸盐研究所

陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composites,CMCs)具有低密度、良好的力学性能等特点,被视为航空发动机热端部件的主要候选材料。但在服役环境中,CMCs易受到高温水蒸气、熔盐等腐蚀,从而限制其应用。在CMCs表面沉积环境障碍涂层(Environ... 详细信息

陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composites,CMCs)具有低密度、良好的力学性能等特点,被视为航空发动机热端部件的主要候选材料。但在服役环境中,CMCs易受到高温水蒸气、熔盐等腐蚀,从而限制其应用。在CMCs表面沉积环境障碍涂层(Environmental Barrier Coating,EBC)可有效提高其稳定性。硅酸镱是最具应用潜力的环境障碍涂层材料。等离子喷涂技术是制备EBC的有效方法。但喷涂过程中,硅酸镱存在硅挥发现象,使涂层物相发生变化,进而影响其高温腐蚀行为。本工作采用等离子喷涂方法制备不同物相组成(YbS0.5、YbS1.0、YbS1.5和YbS2.0)的硅酸镱涂层,研究其在高温熔盐(CaO-MgO-AlO-SiO,CMAS)环境的腐蚀行为和耐蚀机制。研究发现,富YbO涂层的耐蚀性能优于富YbSiO涂层,且随着YbSiO含量增加,涂层耐蚀性能下降。YbO可加速熔体中SiO的消耗,并促进YbAlO的析出;而YbSiO与CMAS反应消耗CaO的同时生成SiO,SiO溶解于CMAS熔体中,使得CMAS消耗缓慢,从而导致涂层渗透与腐蚀现象严重。本研究结果可为稀土硅酸盐环境障碍涂层体系的设计和应用提供科学基础支撑。

关键词：环境障碍涂层硅酸镱熔盐腐蚀物相组成

来源： cnki会议评论

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Yb2SiO5-Yb2Si2O7环境障碍涂层制备及抗高温水氧腐蚀机理研究

作者：王鑫安徽工业大学

学位级别：硕士

SiC/SiC基复合材料展现出高温力学性能和低密度等优异特性,是下一代航空发动机热端部件的理想候选材料之一。然而,SiC基体在严苛服役环境下易遭受严重的水氧腐蚀,降低了其服役寿命。在SiC基体表面制备环境障碍涂层(Environmental Barrie... 详细信息

SiC/SiC基复合材料展现出高温力学性能和低密度等优异特性,是下一代航空发动机热端部件的理想候选材料之一。然而,SiC基体在严苛服役环境下易遭受严重的水氧腐蚀,降低了其服役寿命。在SiC基体表面制备环境障碍涂层(Environmental Barrier Coatings,EBC)能够有效地改善抗高温水氧腐蚀性能。硅酸镱材料(YbSiO及YbSiO)由于具有较低的热膨胀系数、优异的耐水氧腐蚀性、良好的相稳定性和化学相容性等是目前EBC的研究热点之一。本文以YbSiO-YbSiO为研究对象,研究了YbSiO掺杂对YbSiO-YbSiO复合陶瓷材料微观组织、力学性能、热导率和高温烧结行为的影响,采用等离子喷涂技术制备了化学计量比的YbSiO中间层和YbSiO-YbSiO工作层,研究了涂层的沉积机理、热循环性能及其高温水氧腐蚀行为。研究成果为促进SiC/SiC基复合材料在航空发动机热端部件上应用奠定理论基础。本文主要得到如下结论:(1)研究了YbSiO掺杂对YbSiO-YbSiO复合陶瓷材料的热导率、力学性能和抗高温烧结性能的影响规律。优化得出:0.5YbSiO-0.5YbSiO复合陶瓷是仅由单斜X2-YbSiO和β-YbSiO相组成;与纯YbSiO陶瓷相比,0.5YbSiO-0.5YbSiO复合陶瓷的断裂韧性和抗高温烧结性能得到较大的改善,断裂韧性提高60%,热导率仍维持较低水平,在1400℃烧结100 h后晶粒大小和致密度基本不变。(2)掌握了等离子喷涂YbSiO涂层的制备与相结构调控技术。等离子喷涂YbSiO涂层呈典型的深灰色组织(YbSiO)、浅灰色组织(YbSiO+YbSiO)及浅色条带组织(YbSiO)组成的层状结构。这主要是由于喷涂过程中喷涂粉末中的SiO不同程度的挥发所致。热处理后的等离子喷涂YbSiO涂层由90.68 mol.%YbSiO和9.32 mol.%YbSiO两相组成。在YbSiO的喷涂粉末中加入10 mol.%SiO时热处理的涂层中YbSiO相含量达到了99.41 mol.%,证明了往YbSiO中添加过量的SiO能够有效的抵消涂层制备过程中SiO挥发的问题,从而制备出纯度较高的YbSiO涂层。(3)研究了等离子喷涂Si/YbSiO/0.5YbSiO-0.5YbSiO环境障碍涂层在1350℃下的热循环性能和抗高温水氧腐蚀行为。等离子喷涂0.5YbSiO-0.5YbSiO涂层组织结构较致密;由于少量的SiO挥发,导致涂层中YbSiO的相对含量为52.96 mol.%,YbSiO的相对含量为47.04mol.%;在1350℃下烧结100h后仍保持良好的高温相稳定性。1350℃热循环672次后,Si/YbSiO/0.5YbSiO-0.5YbSiO涂层由于Si粘层氧化TGO层增厚开裂导致涂层剥落,相较于传统的Si/Mullite/YbSiO涂层(257次)热循环性能提升161%。Si/YbSiO/0.5YbSiO-0.5YbSiO涂层在1350℃下的抗水氧腐蚀性能与传统的Si/Mullite/YbSiO涂层相当,水氧腐蚀200h后,面层中的YbSiO相因与高温水蒸气反应而减少,但涂层结构依旧保持稳定致密,未发生剥落。

关键词：环境障碍涂层 Yb2SiO5-Yb2Si2O7 大气等离子喷涂热循环性能高温水氧腐蚀行为