科学网—山东大学韩桂芳教授团队：为SiC在1500℃水氧环境中提供防护的三层热生长氧化物-清华大学出版社学术期刊的博文

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2025-6-3 09:40

| 个人分类: JAC | 系统分类: 科研笔记

原文出自 Journal of Advanced Ceramics ( 先进陶瓷 ) 期刊

Cite this article:

Peng K, Qiao Y, Li Q, et al. Gradient tri-layered TGOs in MoSi 2 /HfO 2 duplex EBCs for effective protection of SiC substrate against steam corrosion at 1500 °C for 200 h. Journal of Advanced Ceramics , 2025, https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221101

文章 DOI ： 10.26599/JAC.2025.9221101

ResearchGate ： https://www.researchgate.net/publication/392005402_Gradient_tri-layered_TGOs_in_MoSi_2_HfO_2_duplex_EBCs_for_effective_protection_of_SiC_substrate_against_steam_corrosion_at_1500_C_for_200_h

1 、 导读

本文研究了 MoSi 2 /HfO 2 涂层中原位生成的三层热生长氧化物（ TGO ），能够在 1500 ℃水氧环境中为 SiC 基材提供 200h 以上的有效防护 。传统环境障涂层（ EBCs ）的使用温度和寿命受到 Si 粘结层熔点及氧化生成的 SiO 2 -TGO 结晶与临界厚度的限制。本文提出的 MoSi 2 /HfO 2 双层 EBCs 有效提升了涂层使用温度，氧化过程中生成了有浓度梯度的三层 TGOs 结构：晶态 SiO 2 、 Hf 掺杂石英玻璃、颗粒增强的 Hf-Si-O 玻璃，抑制了 TGOs 中贯穿裂纹的形成，促进了涂层内部缺陷的自愈合，突破了传统 TGO 临界厚度的限制。

图 1 文章图片摘要

2 、 研究背景

下一代航空发动机需要更高的推重比和燃料利用效率，因此亟需提升涡轮进口温度，这使得热端部件用结构材料面临严峻考验。碳化硅陶瓷基复合材料（ SiC-CMCs ）因其低密度、卓越的高温力学性能和良好的热稳定性，是最有希望的候选材料之一。由于燃料燃烧产生高温含水废气，而 SiC 在高温水蒸气中不稳定，需要使用涂层将其与燃气环境隔开，称为环境障涂层 (EBC s) 。当前 EBCs 的工作温度受到低熔点 Si 粘结层（ 1414℃ ）限制，同时，氧化过程中粘结层表面生成 SiO 2 热生长氧化物 (TGO) ，其在降温过程中会发生晶化和相变，引起体积变化并产生裂纹，严重影响 EBCs 的使用寿命。

本研究采用更高熔点的 MoSi 2 （ 2030℃ ）替代 Si 粘结层，利用在氧化剂参与下 MoSi 2 与 HfO 2 的界面反应原位生成具有浓度梯度的三层 TGOs 结构，利用 Hf 向 SiO 2 中的扩散抑制了高温下 SiO 2 的结晶。三层 TGOs 形成氧化剂向基体扩散的有效屏障，避免了 SiC 基体的氧化腐蚀。

3 、文章亮点

（ 1 ） 利用 MoSi 2 和 HfO 2 在氧化环境下的界面反应生成三层结构的 TGOs ，避免了传统单层 SiO 2 -TGO 相变所致贯穿裂纹问题，使涂层防护效果得到提升，在 1500 ℃下 90%H 2 O-10%O 2 气氛下防护 SiC 基体长达 200h ；

（ 2 ）采用拉曼光谱和透射电子显微镜对所形成的三层结构 TGOs 的物相进行了表征，依次为方石英相、 Hf 掺杂的 SiO 2 玻璃、 Hf 的氧化物颗粒增强的 Hf-Si-O 玻璃，解释了 TGO 中裂纹阻断及 Hf 掺杂抑制 SiO 2 结晶的机理；

（ 3 ）涂层中玻璃相的生成及流动促进了 MoSi 2 和 HfO 2 层中缺陷的自愈合。

（ 4 ）由于三层 TGOs 之间存在浓度梯度，且与 MoSi 2 和 HfO 2 层存在反应界面， TGOs 层厚度突破了传统 SiO 2 -TGO 临界厚度的限制。

4 、研究结果及结论

在本研究中，采用大气等离子喷涂（ APS ）工艺在粗糙化处理后的 SiC 基体上先后沉积了 MoSi 2 和 HfO 2 涂层，经 1450 ℃ -3h 热处理后在 1500 ℃的 90%H 2 O-10%O 2 环境中分别腐蚀了 20 、 50 、 100 、 200h ，涂层未发生剥离和开裂（如图 2 所示）。

图 2 涂层表面的宏观形貌变化

在 MoSi 2 和 HfO 2 界面处形成了具有浓度梯度的三层结构的 TGOs ，涂层内部裂纹、孔隙等缺陷得到自愈合， TGOs 内部的通道裂纹在第一层和第二层界面处得到阻断，如图 3 所示。

图 3 经水氧腐蚀 100h 后的涂层截面及 EPMA 分析： (a~b) 截面背散射照片； (c~f) 截面 Si 、 O 、 Hf 、 Mo 元素分布

随腐蚀时间的延长，腐蚀速度得到减缓， TGOs 层的厚度变化呈抛物线规律，说明涂层的氧化速度逐步减缓，经 1500℃ 腐蚀 200h 腐蚀后， TGOs 层的平均厚度达到约 24.5μm ，如图 4 所示：

图 4 涂层中 TGOs 层的厚度变化曲线

通过拉曼光谱和透射电镜对三层结构 TGOs 的物相进行了鉴定，确认了第一层为方石英相，第二层为 Hf 掺杂的 SiO 2 玻璃，第三层为 Hf 氧化物颗粒增强的 Hf-Si-O 玻璃相，如图 5 、图 6 所示。

图 5 经水氧腐蚀 200h 后 TGOs 拉曼光谱分析： (a) 测试位置 (A 点位于第二层， B 点位于第一层 ) ； (b)A 、 B 两点的拉曼光谱

图 6 TGOs 层的透射电镜分析： (a)TEM 样品取样位置示意图； (b) 样品的 STEM 照片； (c~f) 明场相； (g~j) SAED 分析； (k, l) HR-TEM 分析

本研究表明，原位梯度 Hf 掺杂可以有效地抑制 EBCs 体系中 SiO 2 在高温下的结晶。此外，含有结晶相和非晶相的多层结构 TGOs 的形成阻止了方石英相变引起的贯穿裂纹的形成，从而消除了通过涂层的快速氧化剂传输途径。 这项工作提供了一种新的思路，可以同时提高 TGO 的稳定性和 EBCs 的工作温度，这有助于开发具有长使用寿命和高热性能的新一代 EBCs 体系。

5 、作者及研究团队简介

韩桂芳（通讯作者） ，山东大学材料学院教授，博士生导师。主要从事极端环境用超高温陶瓷材料与涂层的设计、制备与性能考核，陶瓷材料增材制造和结构功能一体化研究。在 Progress in Materials Science, Nature Communications, Journal of Advanced Ceramics, Corrosion Science 等期刊发表 SCI 论文 100 余篇，被引用 3000 多次；参编学术专著 2 部；主持包括国家自然科学基金等科研项目 7 项；担任中国腐蚀学会高温分会委员、中国复合材料学会陶瓷基复合材料分会委员等职。

个人主页： http://www.cmse.sdu.edu.cn/info/1586/25513.htm

作者邮箱： gfhan@sdu.edu.cn

彭科学（第一作者） ，昌吉学院讲师，山东大学材料学院在读博士研究生，专注于极端环境应用场景热 / 环境防护涂层领域的研究。

作者及研究团队在 Journal of Advanced Ceramics 上发表的相关代表作：

1 ） Zhang J, Han G, Cao X, et al. Regulating the composition, structure, and nanoscale dimensions of Yb 2 Si 2 O 7 environmental barrier coating to achieve a biomimetic teakwood-like functional structure by waste gas recycling. Journal of Advanced Ceramics , 2025, 14(2): 9221021. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9221021

2 ） Sun J, Zhang J, Zhang X, et al. High strength mullite-bond SiC porous ceramics fabricated by digital light processing. Journal of Advanced Ceramics , 2024, 13(1): 53-62. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220835

《先进陶瓷（英文）》（ Journal of Advanced Ceramics ） 期刊简介

《先进陶瓷（英文）》 于 2012 年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为清华大学林元华教授、郑州大学周延春教授和广东工业大学林华泰教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被 SCIE 、 Ei Compendex 、 Scopus 、 DOAJ 、 CSCD 等数据库收录。现为月刊，年发文量近 200 篇； 2024 年 6 月发布的影响因子为 18.6 ，连续 4 年位列 Web of Science 核心合集“材料科学，陶瓷”学科 31 种同类期刊第 1 名； 2024 年 11 月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目； 2025 年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学 1 区 Top 期刊。 2023 年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台 SciOpen 独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。

期刊主页： https://www.sciopen.com/journal/2226-4108

投稿地址： https://mc03.manuscriptcentral.com/jacer

期刊 ResearchGate 主页： https://www.researchgate.net/journal/Journal-of-Advanced-Ceramics-2227-8508

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主题：三层热生长氧化物