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二硅化钼改性硅酸镱环境障涂层体系抗热震行为及机理

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航空材料学报 2023年第4期43卷 37-44页

作者：梁锐辉钟鑫洪督黄利平吴一鸣赵芳霞牛亚然张振忠郑学斌中国科学院上海硅酸盐研究所上海200050 南京工业大学材料科学与工程学院南京211816

稀土硅酸盐环境障涂层(EBCs)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,但在服役过程中,稀土硅酸盐面层易产生纵向裂纹,为腐蚀性介质进入EBCs体系内部提供通道,使硅黏结层发生氧化并产生裂纹,最终导致EBCs失效。二硅化钼(MoS... 详细信息

稀土硅酸盐环境障涂层(EBCs)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,但在服役过程中,稀土硅酸盐面层易产生纵向裂纹,为腐蚀性介质进入EBCs体系内部提供通道,使硅黏结层发生氧化并产生裂纹,最终导致EBCs失效。二硅化钼(MoSi_(2))具有优异的高温性能,有望改善稀土硅酸盐EBCs体系的高温稳定性。本工作采用MoSi_(2)改性Yb_(2)SiO_(5)面层,通过真空等离子喷涂技术(VPS)分别制备了以Yb2SiO5、Yb_(2)SiO_(5)-5%MoSi_(2)(体积分数,下同)和Yb_(2)SiO_(5)-10%MoSi_(2)作为面层,以Yb_(2)Si_(2)O_(7)作为中间层,以Si作为黏结层的三种环境障涂层体系,利用场发射扫描电子显微镜表征了涂层在1350℃热震前后的形貌变化。结果表明:掺杂MoSi_(2)不仅能改善涂层的损伤容限,还可消耗氧化性介质,减少其向涂层体系内部的扩散,使黏结层上TGO层厚度分别降低83%和88%,从而有效改善涂层体系的高温稳定性。

关键词：环境障碍涂层硅酸镱 MoSi_(2) 热震真空等离子喷涂

硅酸镱环境障碍涂层高温CMAS腐蚀行为与机制研究

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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

二硅化钼改性硅酸镱环境障涂层的高温抗氧化行为及机理

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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热喷涂技术 2024年第1期16卷 100-108页

作者：梁锐辉钟鑫洪督赵芳霞牛亚然张振忠郑学斌中国科学院上海硅酸盐研究所上海200050 南京工业大学材料科学与工程学院南京211816

新一代高推重比航空发动机的发展对环境障涂层(EBCs)的服役寿命和温度提出了苛刻的要求。稀土硅酸盐作为EBCs材料应用于面层,在服役过程中易产生纵向裂纹,为腐蚀性介质的侵蚀提供通道,严重影响EBCs的寿命。二硅化钼(MoSi_(2))具有优异... 详细信息

新一代高推重比航空发动机的发展对环境障涂层(EBCs)的服役寿命和温度提出了苛刻的要求。稀土硅酸盐作为EBCs材料应用于面层,在服役过程中易产生纵向裂纹,为腐蚀性介质的侵蚀提供通道,严重影响EBCs的寿命。二硅化钼(MoSi_(2))具有优异的高温性能,有望改善稀土硅酸盐EBCs体系的高温性能。采用MoSi_(2)改性Yb_(2)SiO_(5)面层,通过真空等离子喷涂技术(VPS)分别制备了Yb_(2)SiO_(5)-XMoSi_(2)(X=0,5%和10%,体积分数)为面层,Yb_(2)Si_(2)O_(7)为中间层,Si为黏结层的三种环境障涂层体系。研究了涂层在1350℃长时间氧化前后显微结构演化过程。结果发现,掺杂MoSi_(2)涂层体系在高温氧化500 h后仍能保持结构完整且面层裂纹减少。原因在于,MoSi_(2)可消耗氧化剂,减缓涂层内部TGO的增长速率,反应产物Yb_(2)Si_(2)O_(7)与中间层成分一致,具有较好的化学相容性,有效改善了涂层体系的高温性能。

关键词：环境障涂层硅酸镱 MoSi_(2) 真空等离子喷涂高温抗氧化行为

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两步法制备纳米硅酸镱晶须的研究

冶金与材料 2023年第1期43卷 6-8页

作者：马晓萌王超会由园陈沛全刘慧男齐齐哈尔大学材料科学与工程学院黑龙江齐齐哈尔161006

硅酸镱(Yb_(2)Si_(2)O_(7))是重要的环境障涂层材料之一,具有非常好的高温热稳定性。研究中,采用两步法,以硝酸镱和正硅酸乙酯为原材料,得到硅酸镱晶须。通过SEM对所制备的材料进行形貌分析,结果表明,通过改变工艺参数使得硅酸镱晶须由... 详细信息

硅酸镱(Yb_(2)Si_(2)O_(7))是重要的环境障涂层材料之一,具有非常好的高温热稳定性。研究中,采用两步法,以硝酸镱和正硅酸乙酯为原材料,得到硅酸镱晶须。通过SEM对所制备的材料进行形貌分析,结果表明,通过改变工艺参数使得硅酸镱晶须由形貌不规则的短棒状,颗粒状变为晶须状。硅酸镱晶须有望应用到高温结构材料中,提高结构材料的韧性和高温使用寿命。

关键词：硅酸镱晶须两步法

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碳/碳复合材料硅酸镱涂层的制备及性能研究

碳/碳复合材料硅酸镱涂层的制备及性能研究

作者：雍翔陕西科技大学

学位级别：硕士

碳/碳(C/C)复合材料具有低密度、高比强度、高比模量、抗热震、低热膨胀系数等优异性能,因此被广泛用于航空航天、军事等领域。但是在400°C有氧环境下,C/C复合材料会发生氧化,从而限制了它的应用。抗氧化涂层是解决这类问题的一种有效... 详细信息

碳/碳(C/C)复合材料具有低密度、高比强度、高比模量、抗热震、低热膨胀系数等优异性能,因此被广泛用于航空航天、军事等领域。但是在400°C有氧环境下,C/C复合材料会发生氧化,从而限制了它的应用。抗氧化涂层是解决这类问题的一种有效方法,目前抗氧化涂层主要以硅基涂层为主,而一些高温结构件也以硅基陶瓷为主。它们在高温干燥环境下能够形成一层致密的SiO薄膜,从而提高材料的抗氧化性能。但是在高温水蒸气冲刷条件下,SiO会跟水蒸气发生反应,生成结构疏松的Si(OH),这种物质很容易剥落,从而使基体直接与外界环境接触,引起材料失效。热障/环障涂层可以阻止或减弱外界恶劣环境对材料的氧化和腐蚀,早先的一些热障/环障涂层体系,如莫来石、YSZ(YO稳定ZrO)涂层、BSAS涂层,因为一些不可避免的问题而不能有效解决这类问题。相比之下,稀土硅酸盐,如YbSiO、YSiO、LuSiO等,具有低热膨胀系数、优异的高温稳定性和化学稳定性、良好的耐水蒸气腐蚀性。YbSiO耐水蒸气腐蚀性最好,因此可用作热障/环障涂层材料。本文采用熔盐法成功制备了单相硅酸镱粉体,通过TG-DSC研究了凝胶与凝胶熔盐混合物的热历史,通过FI-IR和XPS分析了熔盐法制备的硅酸镱的红外光谱和元素价态,比较了溶胶凝胶法和熔盐法制备YbSiO的热导率。进一步探究了不同熔盐种类、热处理温度、反应原料配比对制备硅酸镱的影响,并通过XRD、SEM、TEM对粉体的晶相组成、微观形貌进行表征。用热浸渍法制备了β-YbSiO涂层,对涂层的晶相组成、微观形貌和结构采用SEM和EDS进行了分析测试,并测试了涂层的抗氧化性能。采用不同的方法制备硅酸镱,水热法制备不出单相的硅酸镱,溶胶凝胶法在1200°C下制备出单相β-YbSiO粉末,颗粒尺寸大约在50-500 nm。采用熔盐法在700°C下热处理3 h就能得到单相β-YbSiO粉末,颗粒尺寸在50-200 nm。比较溶胶凝胶法和熔盐法制备的β-YbSiO热导率,熔盐法制备的β-YbSiO具有较低的热导率,在1773 K处的热导率为2.16 W/(m·K)-1。通过改变熔盐种类、热处理温度、反应原料摩尔比,探究产物的物相组成和微观形貌。不同熔盐种类对制备产物的相组成有很大影响。在900°C下热处理3 h,采用Na Cl-KCl和NaSO作为熔盐时,无法制备出单一物相的硅酸镱。以NaMoO作为熔盐时,不同的热处理温度均可以制备出单相的YbSiO,但是不同的热处理温度会影响YbSiO的形貌。800°C下可以制备出直径为50-200 nm,长径比为10-30的晶须状YbSiO。随着热处理温度升高,晶须状YbSiO逐渐变为颗粒状YbSiO。控制反应原料摩尔比可以改变产物的物相组成。采用NaMoO为熔盐,控制热处理温度为800°C,热处理时间为3 h,反应原料摩尔比为1:1时可以合成出单一相的晶须状YbSiO。反应原料摩尔比为1:0.8时可以合成出单一相的颗粒状Yb2Si O5。采用热浸渍法在Si C-C/C试样表面制备了β-YbSiO涂层,研究了热浸渍温度、硅溶胶浓度对涂层结构与性能的影响。最佳工艺条件为:热浸渍温度200°C,硅溶胶与水的体积比1:4。此时制备的涂层厚度约为230μm,涂层表面均匀,裂纹较少,涂层内部结构较为致密。经过抗氧化测试,β-YbSiO可以有效地对Si C-C/C试样提供保护,涂层试样在1600°C温度下168 h氧化之后失重2.43%。

关键词：碳/碳复合材料硅酸镱熔盐法热浸渍法抗氧化

物相组成对硅酸镱涂层显微结构和耐蚀性能的影响研究

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热喷涂技术 2019年第1期11卷 37-44页

作者：钟鑫牛亚然朱涛王亚文石旻昊郑学斌中国科学院上海硅酸盐研究所上海201899 材料与光电研究中心中国科学院大学北京100049

陶瓷基复合材料(Ceramic matrix composites CMCs)被视为新一代航空发动机热端部件的主要候选材料。然而,陶瓷基复合材料在服役过程中会受到高温水蒸气腐蚀,从而导致材料性能急剧下降。在CMCs表面制备环境障碍涂层(Environmental barrie... 详细信息

陶瓷基复合材料(Ceramic matrix composites CMCs)被视为新一代航空发动机热端部件的主要候选材料。然而,陶瓷基复合材料在服役过程中会受到高温水蒸气腐蚀,从而导致材料性能急剧下降。在CMCs表面制备环境障碍涂层(Environmental barrier coating,EBC)可有效解决这一难题。稀土硅酸盐具有高熔点、与CMCs匹配的热膨胀系数和良好的耐蚀性能等特点,是最具应用潜力的环境障碍涂层材料。大气等离子体喷涂技术是制备稀土硅酸盐环境障碍涂层的常见方法。本文通过固相反应法制备了不同物相组成的硅酸镱粉体,并采用大气等离子体喷涂方法制备了富Yb_2O_3(YS0.75)和富Yb_2Si_2O_7(YS1.25)两种涂层,比较研究了涂层的相组成、微观结构和耐高温水蒸气腐蚀性能。研究发现,YS0.75涂层主要由Yb_2O_3和Yb_2SiO_5相组成,结晶度较高,层状结构明显,涂层内有较多裂纹。YS1.25涂层主要由Yb_2SiO_5和Yb2Si2O7相组成,结晶度较低,片层间结合紧密,涂层含有较多球型气孔。不同物相组成的硅酸镱涂层经1400oC高温水蒸气腐蚀后表面均生成Yb_2SiO_5层。富Yb_2O_3涂层具有更好的耐水蒸气耐蚀性能。

关键词：硅酸镱环境障碍涂层物相组成显微结构耐蚀性能

等离子喷涂-物理气相沉积Si/莫来石/Yb_2SiO_5环境障涂层

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无机材料学报 2018年第3期33卷 325-330页

作者：张小锋周克崧刘敏邓春明牛少鹏许世鸣华南理工大学材料科学与工程学院广州510640 广东省新材料研究所现代材料表面工程技术国家工程实验室广东省现代表面工程技术重点实验室广州510650

采用等离子喷涂–物理气相沉积技术(PS-PVD)在SiC/SiC复合材料表面依次制备了Si(底层)、3Al_2O_3-2SiO_2(中间层)、Yb_2SiO_5(面层)环境障涂层(EBC)。利用扫描电子显微镜(SEM)观察分析EBC涂层表面与界面的微观形貌,X射线衍射仪对喷涂过... 详细信息

采用等离子喷涂–物理气相沉积技术(PS-PVD)在SiC/SiC复合材料表面依次制备了Si(底层)、3Al_2O_3-2SiO_2(中间层)、Yb_2SiO_5(面层)环境障涂层(EBC)。利用扫描电子显微镜(SEM)观察分析EBC涂层表面与界面的微观形貌,X射线衍射仪对喷涂过程中易非晶化的莫来石涂层进行物相分析,研究了喷涂粉末与高温等离子体的相互作用并探讨了EBC涂层的沉积机制。结果表明:通过PS-PVD技术可制备出低孔隙率、高致密界面的EBC涂层。通过观察EBC涂层表面,Si涂层表面无裂纹,而莫来石和Yb_2SiO_5涂层表面均发现有微裂纹,其中莫来石涂层表面的裂纹尺度大于Yb_2SiO_5涂层。三层结构的致密EBC涂层以液相沉积为主,同时伴随有气、固沉积。在Yb_2SiO_5涂层沉积过程中,液相沉积导致涂层为致密的层状结构,蒸发后气相在等离子焰流中及基体表面发生均匀形核和非均匀形核导致涂层中出现大量的纳米晶粒,而微熔粒子和溅射粒子则形成涂层中亚微米、微米晶粒。

关键词：等离子喷涂–物理气相沉积环境障涂层硅酸镱

不同显微结构Yb_(2)Si_(2)O_(7)环境障涂层的抗热震性能研究

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热喷涂技术 2021年第4期13卷 23-34页

作者：张朋贵冀晓鹃侯伟骜卢晓亮矿冶科技集团有限公司北京100160 北京市工业部件表面强化与修复工程技术研究中心北京102206 特种涂层材料与技术北京市重点实验室北京102206 北矿新材科技有限公司北京102206

采用低压等离子喷涂工艺(LPPS)在SiC_(f)/SiC复合材料表面依次制备了Si底层、Mullite中间层和Yb_(2)Si_(2)O_(7)面层的环境障涂层。通过不同的喷涂参数分别制备出层状结构和层柱混合结构的Yb_(2)Si_(2)O_(7)面层,并考察面层结构对环境... 详细信息

采用低压等离子喷涂工艺(LPPS)在SiC_(f)/SiC复合材料表面依次制备了Si底层、Mullite中间层和Yb_(2)Si_(2)O_(7)面层的环境障涂层。通过不同的喷涂参数分别制备出层状结构和层柱混合结构的Yb_(2)Si_(2)O_(7)面层,并考察面层结构对环境障涂层抗热震性能的影响。结果表明,所制备的两种面层涂层均具有孔隙率低、界面结合紧密的特点,层柱混合结构的面层中柱状结构为Yb_(2)Si_(2)O_(7)气化所形成,而层状结构为液相沉积所形成。X射线衍射分析结果显示,层状涂层结晶良好,而层柱混合结构涂层中存在大量的非晶态。对非晶态进行热处理可得到结晶完全的层柱混合结构涂层。热震实验结果表明,层状涂层经355次热震后脱落面积很小,表现出良好的抗热震性能。相比之下,非晶态层柱混合结构涂层经热震3次后即出现脱落,经155次热震后脱落面积达到5%,抗热震性能较差。晶态的层柱混合结构涂层经热震20次后出现脱落,随后脱落速度减缓,但到第40次热震时,涂层大块脱落加速失效。

关键词：环境障涂层低压等离子喷涂硅酸镱层状结构抗热震性能

低压等离子喷涂环境障类柱状晶功能涂层设计与制备研究

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内燃机与配件 2019年第20期 78-81页

作者：侯伟骜原慷彭浩然卢晓亮冀晓鹃北京矿冶科技集团有限公司北京100044 北京市工业部件表面强化与修复工程技术研究中心北京102206 北矿新材科技有限公司北京102206

环境障涂层(EBC)可有效提升大推重比发动机陶瓷基复合材料热端部件的防护效果。为进一步提高使用温度及抗CMAS性能,需对涂层结构做进一步优化。为此,本文提出采用具有类柱状晶结构EBC功能层,并采用LPPS喷涂技术对该功能层进行了制备研... 详细信息

环境障涂层(EBC)可有效提升大推重比发动机陶瓷基复合材料热端部件的防护效果。为进一步提高使用温度及抗CMAS性能,需对涂层结构做进一步优化。为此,本文提出采用具有类柱状晶结构EBC功能层,并采用LPPS喷涂技术对该功能层进行了制备研究。结果表明,采用LPPS系统中"PS-PVD(等离子物理气相沉积)"功能可完成类柱状晶双硅酸镱(Yb2Si2O7)功能层的制备。受粉末成分及喷涂中Si损耗效应影响,该功能层中还出现了单硅酸镱与氧化镱等新相。本文还对此类柱状晶EBC功能层可能发挥的作用进行了讨论。

关键词：低压等离子喷涂环境障涂层硅酸镱类柱状晶