科学网—中国科学院金属所王京阳团队：成分诱导的强高温CMAS腐蚀抗性环境障涂层用Y 4 Al 2 O 9/Y 2 O 3复合材料设计与耐蚀机理-清华大学出版社学术期刊的博文
精选
已有 271 次阅读
2025-6-20 09:51
| 个人分类: JAC | 系统分类: 论文交流
原文出自 Journal of Advanced Ceramics ( 先进陶瓷 ) 期刊
Cite this article:
Li J, Sun L, Du T, et al. High temperature interaction of Y 4 Al 2 O 9 /Y 2 O 3 under CMAS exposure: mechanism of outstanding corrosion resistance through composition design to accelerate reaction-induced CMAS consumption. Journal of Advanced Ceramics , 2025, https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221106
文章 DOI ： 10.26599/JAC.2025.9221106
ResearchGate ： https://www.researchgate.net/publication/392171218_High_temperature_interaction_of_Y_4_Al_2_O_9_Y_2_O_3_under_CMAS_exposure_mechanism_of_outstanding_corrosion_resistance_through_composition_design_to_accelerate_reaction-induced_CMAS_consumption
1 、 导读
中国科学院金属研究所王京阳研究员与孙鲁超研究员团队在高温防护涂层领域取得新进展。 该团队针对航空发动机热端部件面临的 CMAS （钙镁铝硅酸盐）腐蚀难题，基于腐蚀机理研究，创新性地开发出 Y 4 Al 2 O 9 /Y 2 O 3 复合环境障涂层材料。该材料通过双重作用机制显著提升了抗腐蚀性能：一方面利用高反应性组分主动加速消耗 CMAS 腐蚀性成分，另一方面同步诱导生成具有连续致密反应产物，提升腐蚀阻隔能力。实验验证，在 1300℃ 及 1500℃ 高温条件，该材料能快速与 CMAS 熔体反应，以较低的材料损耗生成结晶产物，从而实现 CMAS 的高效固化。 特别值得注意的是，该材料能有效抑制 CMAS 沿晶界的渗透破坏，展现出优异的 CMAS 腐蚀抗性。 这一成果为新一代高温环境障涂层成分设计提供了创新解决方案和关键材料。
图 1 文章图片摘要
2 、 研究背景
先进航空发动机热端部件的性能提升依赖于 SiC f /SiC 陶瓷基复合材料与环境障涂层的协同发展。针对航空发动机 高温、高压、高腐蚀等极端服役环境对材料性能提出的严峻挑战，近年来在环境障涂层的材料体系设计与制备工艺优化方面开展了大量创新性研究，其中随着航空发动机涡轮前温度的持续提升，环境障涂层的熔点氧化物（CaO-MgO-Al 2 O 3 -SiO 2 ，简称CMAS）腐蚀失效问题日益凸显，已成为制约新一代环境障涂层工程化应用的关键技术瓶颈。研究表明，在 1500℃ 及以上高温服役条件下， CMAS 熔体通过晶界扩散机制快速渗透至涂层内部，不仅会引发显著的晶界腐蚀，还会导致涂层内部产生微孔洞和热膨胀失配裂纹等缺陷，最终造成涂层的结构完整性和环境障功能的灾难性失效。因此，系统研究 1500℃ 高温环境下具有优异 CMAS 腐蚀抗性的新型涂层材料及其防护机理，对于深入理解涂层失效机制，开发新一代高 CMAS 腐蚀抗性环境障涂层具有重要意义
3 、文章亮点
1 ）基于高 CMAS 反应活性成分设计了 Y 4 Al 2 O 9 /Y 2 O 3 复合材料，实现了环境障涂层材料在 1500 ℃ 优异的 CMAS 腐蚀抗性；
2 ） Y 2 O 3 在反应初期促进磷灰石相快速析出，形成连续致密层延缓反应速率； Y 4 Al 2 O 9 相诱发石榴石相和枪晶石相析出，高效消耗 CMAS 腐蚀活性成分；
3 ）验证了通过高效消耗 CMAS 策略优化涂层材料腐蚀抗性的可行性，为开发具有优异抗 CMAS 腐蚀性能新型环境障涂层提供了理论依据和实践指导。
4 、研究结果及结论
Y 4 Al 2 O 9 /Y 2 O 3 复合材料与 CMAS 在 1300 ℃ 反应后的产物为磷灰石、石榴石以及 CMAS 的结晶产物 CaAl 2 SiO 7 （如图 2 所示）。
图 2 Y 4 Al 2 O 9 /Y 2 O 3 复合材料与 CMAS 在 1300℃ 反应后的（ a ） XRD 图，（ b ）对数坐标 XRD 图
与 CMAS 在 1300 ℃ 反应后的产物可分为多层，且反应层的厚度及物相组成会随反应时间延长发生变化（如图 3 所示）。
图 3 Y 4 Al 2 O 9 /Y 2 O 3 复合材料与 CMAS 在 1300℃ 反应后的截面扫描图。（ a1-d1 ）反应 1 小时后的低倍及高倍扫描图，（ a2-d2 ）反应 4 小时后的低倍及高倍扫描图，（ a3-d3 ）反应 25 小时后的低倍及高倍扫描图，（ a4-d4 ）反应 50 小时后的低倍及高倍扫描图
Y 4 Al 2 O 9 /Y 2 O 3 复合材料与 CMAS 在 1500 ℃ 反应后的产物为磷灰石以及枪晶石，与其 在 1300 ℃ 反应后的产物不同（如图 4 所示）。
图 4 Y 4 Al 2 O 9 /Y 2 O 3 复合材料与 CMAS 在 1500℃ 反应后的 XRD 图
与 CMAS 在 1500 ℃ 反应后的产物可分为多层，且反应层厚度及物相组成会随反应时间延长发生变化，未见 CMAS 沿晶界渗入涂层内部现象，说明材料在 1500 ℃ 具有优异 CMAS 腐蚀抗性（如图 5 所示）。
图 5 Y 4 Al 2 O 9 /Y 2 O 3 复合材料与 CMAS 在 1500℃ 反应后的截面扫描图。（ a1-d1 ）反应 1 小时后的低倍及高倍扫描图，（ a2-d2 ）反应 4 小时后的低倍及高倍扫描图，（ a3-d3 ）反应 25 小时后的低倍及高倍扫描图，（ a4-d4 ）反应 50 小时后的低倍及高倍扫描图
通过透射电镜对 1500 ℃ 反应后的 第四层反应产物进行了标定，结果显示第四层产物层由石榴石和枪晶石两相组成 （如图 6 所示）。
图 6 Y 4 Al 2 O 9 /Y 2 O 3 复合材料与 CMAS 在 1500℃ 反应后的（ a ）明场像，（ b ） A 相对应的选区衍射图，（ c ） B 相对应的选区衍射图，（ d ）面扫能谱图
Y 4 Al 2 O 9 /Y 2 O 3 复合材料与 CMAS 在 1300 ℃ 以及 1500℃ 反应 50 小时后的衰退层分别为 67.4μm 和 54.7μm （如图 7 所示），且未见明显的 CMAS 沿晶界渗入现象。
图 7 Y 4 Al 2 O 9 /Y 2 O 3 复合材料与 CMAS 在（ a ） 1300℃ 反应 1 小时后，（ b ） 1300℃ 反应 50 小时后，（ c ） 1500℃ 反应 50 小时后的低倍截面扫描图。
本研究表明，具有高反应性的 Y 4 Al 2 O 9 /Y 2 O 3 复合材料在高温下具有优异的 CMAS 腐蚀抗性，是新一代潜在更高温度下环境障涂层的新材料。
5 、作者及研究团队简介
李捷（第一作者）， 中国科学院金属研究所（中国科学技术大学材料与工程学院）在读博士生。主要从事高温极端环境下的环境障涂层材料的研究工作。以第一作者身份在 Journal of Advanced Ceramics 、 Surface & Coatings Technology 、 Materials & Design 、 Journal of Inorganic Materials 等期刊发表论文。
孙鲁超 , 中国科学院金属研究所研究员，主要从事极端环境用结构陶瓷及复合材料研究。主持、参与自然基金委项目、国家重点研发计划项目和中国科学院先导专项等各类项目 40 余项；研究成果在 Nature Communications 、 Material Research Letter 和 Scripta Materialia 等期刊发表论文 60 余篇；获授权中国发明专利 23 项；任中国硅酸盐学会测试技术分会理事会理事、中国复合材料学会陶瓷基复合材料分会委员和《无机材料学报》青年编委等入选辽宁省和沈阳市高层次人才计划。
研究方向：高温结构陶瓷
作者邮箱： lcsun@imr.ac.cn
作者 ORCID ： https://orcid.org/0000-0003-2570-578X
王京阳， 辽宁材料实验室副主任、燃氢防护技术研究所所长， 中国科学院金属研究所研究员；从事极端环境用结构陶瓷、复合材料及高温防护涂层的基础研究和工程应用。入选国家级人才计划，当选世界陶瓷科学院院士、美国陶瓷学会会士、欧洲陶瓷学会会士和美国金属学会会士；获 Acta Materialia 银质奖章、美国陶瓷学会的 John Jeppson 奖 /Samuel Geijsbeek 国际奖 / 桥建奖 / 全球之星奖等学术奖励；担任或曾担任世界陶瓷科学院论坛主席、美国陶瓷学会的董事 / 提名委员会委员 / 工程陶瓷分会主席、欧洲陶瓷学会国际顾问委员、中国复合材料学会陶瓷基复合材料分会副主任、中国稀土学会陶瓷专业委员会副主任和中国物理学会内耗和力学谱分会副主任等学术职务。
研究方向：先进陶瓷、复合材料及高温涂层
作者邮箱： jywang@imr.ac.cn
作者 ORCID ： https://orcid.org/0000-0002-4748-8512
作者及研究团队在 Journal of Advanced Ceramics 上发表的相关代表作：
1） Zhang G, Shi J, Zhang J, et al. Investigation on crystallization behavior between (Sc x Yb 1− x )O 1.5 and CMAS: A new insight in the effect of Sc substitution. Journal of Advanced Ceramics , 2024, 13(6): 789-799. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220898
2） LV X, YUE M, FENG X, et al. Rare earth monosilicates as oxidation resistant interphase for SiC f /SiC CMC: Investigation of SiC f /Yb 2 SiO 5 model composites. Journal of Advanced Ceramics , 2022, 11(5): 702-711. https://www.sciopen.com/article/10.1007/s40145-021-0560-4
《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
转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自清华大学出版社学术期刊科学网博客。 链接地址： https://blog.sciencenet.cn/blog-3534092-1490528.html
上一篇： 浙江师范大学郭海：具有反热猝灭发光的Cu+激活的多功能玻璃闪烁体