科学网—中国科学院金属研究所孙鲁超/辽宁材料实验室王京阳等：基于多元稀土组分协同作用实现稀土双硅酸盐材料CMAS腐蚀抗性调制-清华大学出版社学术期刊的博文

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2026-6-15 11:04

| 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:

Wang Z, Sun L, Du T, et al. Insight into the synergistic effect of rare-earth elements on the CMAS corrosion behavior in (RE 1/4 Tm 1/4 Yb 1/4 Lu 1/4 ) 2 Si 2 O 7 (RE = Gd, Ho and Sc) materials at 1300 °C. Journal of Advanced Ceramics , 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221330

文章 DOI: 10.26599/JAC.2026.9221330

ResearchGate ： https://www.researchgate.net/publication/405695869

基金支持：

本工作得到国家自然科学基金（ U21A2063 ）、辽宁省 “ 兴辽英才计划 ” 项目（ XLYC2203090 ）及中国科学院国际伙伴计划项目（ 172GJHZ2022094FN ）资助。

一、 导读

中国科学院金属研究所孙鲁超研究员与辽宁材料实验室燃氢防护技术研究所王京阳研究员团队在航空发动机用环境障涂层领域取得新进展 。该团队 前期研究发现： (Er 1/4 Tm 1/4 Yb 1/4 Lu 1/4 ) 2 Si 2 O 7 中多稀土主元因化学活性不同，在 CMAS 腐蚀反应中呈现显著的溶解 - 析出行为差异，由此激发主动降低腐蚀活性和构筑阻隔屏障的协同效应，成功实现了材料 CMAS 腐蚀抗性显著提升 ( Corrosion Science 175 (2020) 108881; Corrosion Science 203 (2022) 110343 ) 。在此研究基础上，本工作进一步扩展了多元稀土硅酸盐材料中稀土主元间的化学差异度，在确保稀土双硅酸盐相结构稳定性的前提下，设计并成功制备了三种新型 (RE 1/4 Tm 1/4 Yb 1/4 Lu 1/4 ) 2 Si 2 O 7 （ RE 为 Gd 、 Ho 或 Sc 中的一种）涂层材料。通过增加稀土主元间的化学活性梯度，显著提高多稀土主元在 CMAS 腐蚀反应中行为反差，在更宽的热化学窗口内调制腐蚀反应的溶解 - 析出过程，拓展多稀土主元协同的效应边界，实现了稀土双硅酸盐材料 CMAS 腐蚀抗性的精准调制与优化。腐蚀机理研究表明，高活性组分（ Gd/Ho ）优先与 CMAS 熔体反应，充当牺牲型调制剂，有效消耗熔体中的高腐蚀组分，并快速诱导形成连续的磷灰石保护屏障；同时，惰性组分（ Lu/Yb ）则通过其较低的反应活性，抑制了双硅酸盐材料因反应而产生的显著损耗。本研究从腐蚀活度控制角度解析了稀土协同效应对于提升涂层材料 CMAS 腐蚀抗性的科学原理，并据此提出了优化 ( x RE 1/ x ) 2 Si 2 O 7 成分设计的定量判据（ 0.028 < Δ Λ (REDS-CMAS) < 0.037 ， Λ 为材料光学碱度）。相关研究成果为研发新一代耐高温、抗 CMAS 腐蚀的环境障涂层奠定了关键材料技术储备，并提供了理论设计的重要参考。

图 1 文章图片摘要

二、 研究背景

稀土双硅酸镱（ Yb 2 Si 2 O 7 ）环境障涂层（ Environmental barrier coating ， EBC ）与碳化硅陶瓷基复合材料的热膨胀系数高度匹配、化学相容性优，高温下相稳定，成功应用于 GE9X 等先进航空发动机热端部件的高温防护。随着航空发动机推重比持续提升，涡轮前燃气温度不断提高，低熔点环境沉积物（ CaO-MgO-Al 2 O 3 -SiO 2 ，简称 CMAS ）引发的高温腐蚀问题愈发严峻，已成为危害航空发动机在严苛环境中可靠服役的核心瓶颈。借助多稀土主元（高熵化）设计理念，通过优选多稀土元素组合提升稀土双硅酸盐的抗熔融 CMAS 腐蚀能力，已经成为环境障涂层新体系研究的前沿热点，为发展下一代承温能力更高、服役寿命更长、耐燃气腐蚀更优的涂层确立了重要突破方向。

三、文章亮点

1. 通过设计三类不同化学差异度 ( x RE 1/ x ) 2 Si 2 O 7 材料，显著提升了多稀土主元在 CMAS 腐蚀反应中的行为反差，将协同效应的有效边界拓展至更宽的热化学窗口，实现了 CMAS 腐蚀抗性的精准调制与优化；

2. 通过对腐蚀物、腐蚀产物的形貌和成分演变的定量化对比分析，阐明了高活性组分优先与 CMAS 反应，主动消耗高腐蚀组分并快速诱导形成连续磷灰石保护屏障；同时，低活性组分凭借其化学惰性，有效抑制双硅酸盐材料反应损耗的双重协同作用机制；

3. 建立了多元稀土双硅酸盐材料 CMAS 腐蚀抗性与组分光学碱度差（ Δ Λ ）之间的定量关联，提出了 ( x RE 1/ x ) 2 Si 2 O 7 成分设计的定量化判据： 0.028 < Δ Λ (REDS-CMAS) < 0.037 ，为新一代高 CMAS 腐蚀抗性环境障涂层的设计与筛选提供了理论参考。

四、研究结果及结论

本研究分别以 RE 2 O 3 和 SiO 2 、 RE 2 SiO 5 和 SiO 2 微米粉末为原料，通过无压 - 热压烧结的两步法，利用高温高压环境下原料粉体内部的高扩散速率以及化合反应热效应，成功制备了三种具有纯 β 或 γ 型相结构（图 2 ）、组织致密、成分理想、稀土元素分布均匀的高品质 (RE 1/4 Tm 1/4 Yb 1/4 Lu 1/4 ) 2 Si 2 O 7 (RE=Gd 、 Ho 或 Sc) 块体材料，简称 GTYL 、 HTYL 和 STYL 。

图 2 (a) 三种 (4RE 1/4 ) 2 Si 2 O 7 块体材料 XRD 衍射结果以及 (b) (RE 1/4 Tm 1/4 Yb 1/4 Lu 1/4 ) 2 Si 2 O 7 (RE=Ho, Sc) 和 (c) (Gd 1/4 Tm 1/4 Yb 1/4 Lu 1/4 ) 2 Si 2 O 7 27°~31° 局部细节。

图 3 三种 (4RE 1/4 ) 2 Si 2 O 7 块体材料 SEM-EDS Mapping 分析结果： (a) (Gd 1/4 Tm 1/4 Yb 1/4 Lu 1/4 ) 2 Si 2 O 7 , (b) (Ho 1/4 Tm 1/4 Yb 1/4 Lu 1/4 ) 2 Si 2 O 7 , (c) (Sc 1/4 Tm 1/4 Yb 1/4 Lu 1/4 ) 2 Si 2 O 7

其中， GTYL 和 HTYL 与 CMAS 在 1300 °C 下腐蚀 1 h 、 4 h 和 50 h 后，表面仍有较多残余 CMAS 玻璃，生成的腐蚀产物磷灰石具有水平和垂直两种分布方向。除溶解 - 再析出的双硅酸盐相外， STYL 未生成其他腐蚀产物，且经历 50 h 腐蚀后出现 CMAS 完全渗透的现象（图 4 ）。

图 4 三种 (4RE 1/4 ) 2 Si 2 O 7 块体材料表面 BSE 图像： (a~d) (Gd 1/4 Tm 1/4 Yb 1/4 Lu 1/4 ) 2 Si 2 O 7 , (e~h) (Ho 1/4 Tm 1/4 Yb 1/4 Lu 1/4 ) 2 Si 2 O 7 , (i~l) (Sc 1/4 Tm 1/4 Yb 1/4 Lu 1/4 ) 2 Si 2 O 7

截面 BSE-EDS 联合分析揭示了 GTYL 、 HTYL 和 STYL 在 1300 °C 下 CAMS 腐蚀行为的差异主要展现在腐蚀物和腐蚀产物成分、稀土元素分布、产物层厚度及样品衰退深度等方面。通过计算 Ca/Si 比、衰退深度、衰退速率，进一步从腐蚀动力学角度揭示了三种材料的衰退机制。其中， GTYL 和 HTYL 生成的连续磷灰石层有助于抑制 CMAS 渗透并延缓腐蚀进程，其衰退速率随时间延长而显著下降。相比之下， STYL 因无法建立磷灰石阻挡层而发生严重渗透失效（如图 5 ）， 50 h 反应后样品平均衰退深度高达 1014.5μm 。

图 5 三种 (4RE 1/4 ) 2 Si 2 O 7 块体材料截面 BSE-EDS 联合分析

通过数字图像处理技术，选取层厚度、晶粒长径比和孔隙率作为指标进一步量化对比了磷灰石产物层抑制 CAMS 熔体渗透的能力。发现高反应活性的稀土元素（ Gd ）倾向于促进厚度大、晶粒长径比大、孔隙率低的磷灰石层形成，抑制 CMAS 渗透的能力强（图 6 ）。而反应活性适中的稀土元素（ Ho ）能够较好地平衡主动消耗过程中的材料损失和被动抵御过程中的 CMAS 渗透程度，进而优化材料整体腐蚀抗性。

图 6 GTYL 、 HTYL 连续磷灰石层的 (a) 厚度、 (b) 晶粒长径比和 (c) 孔隙率

通过 EDS 分析总结了稀土元素在腐蚀物、腐蚀产物、反应前沿材料晶粒中的分布规律（图 7 ），并绘制了三种稀土双硅酸盐材料的 CMAS 腐蚀机制图（图 8 ）。腐蚀机理研究表明，稀土组分在 CMAS 腐蚀过程中存在如下协同作用机制：高活性组分（ Gd/Ho ）优先与 CMAS 熔体反应，充当牺牲型保护剂，在优先与 CMAS 反应的过程中有效消耗腐蚀性成分并诱导连续致密的磷灰石相保护屏障迅速形成；与此同时，惰性组分（ Lu/Yb ）则通过其较低的反应驱动力，有效抑制了双硅酸盐材料因过度反应而导致的剧烈损耗。这种稀土组分间的协同作用能够完成对腐蚀过程和腐蚀产物的有效调控，进而实现对稀土双硅酸盐材料 CMAS 腐蚀抗性的精确调制。

图 7 GTYL 、 HTYL 中连续磷灰石层的 (a) 厚度、 (b) 晶粒长径比和 (c) 孔隙率

图 8 1300 °C 下 GTYL 、 HTYL 和 STYL 的 CMAS 腐蚀机制示意图

结论： 本研究基于合成的三种新型 (RE 1/4 Tm 1/4 Yb 1/4 Lu 1/4 ) 2 Si 2 O 7 （ RE= Gd, Ho 或 Sc ）材料，从腐蚀机制角度解析了协同作用对于提升稀土双硅酸盐材料 CMAS 腐蚀抗性的本征优势，并据此提出了优化 ( x RE 1/ x ) 2 Si 2 O 7 成分设计的粗略定量判据（ 0.028 < Δ Λ (REDS-CMAS) < 0.037 ）。相关研究成果为开发新一代高 CMAS 腐蚀抗性环境障涂层奠定了关键的材料储备，并提供了重要的理论支撑。

五、作者及研究团队简介

王紫宇（第一作者）， 中国科学院金属研究所（中国科学技术大学材料科学与工程学院）在读博士研究生。研究方向为航空发动机用环境障涂层的成分设计、制备与性能优化。

孙鲁超（通讯作者）， 中国科学院金属研究所研究员。从事航空发动机和燃气轮机等关键能源动力装备用防护涂层开发研究。发表 SCI 论文 90 余篇，获授权中国发明专利 30 余项，在国际学术会议作 40 余次主旨 / 邀请 / 口头报告。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及中国轴承协会滚动体分会委员等；担任《无机材料学报》、《 Extreme Materials 》、《 Corrosion Communications 》及《腐蚀与防护学报》等学术期刊青年编委。入选 “ 兴辽英才计划 ” 和沈阳市高层次人才。

作者邮箱： lcsun@imr.ac.cn

作者 ORCID ： https://orcid.org/0000-0003-2570-578X

王京阳（通讯作者）， 辽宁材料实验室副主任，燃氢防护技术研究所所长。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。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。

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, Wang H, Li X, et al. Microstructure and thermal properties of hafnium-doped high-entropy oxide (Y 0.25 Ho 0.25 Er 0.25 Yb 0.25 ) 2 O 3 coatings. Journal of Advanced Ceramics , 2026, 15(3): 9221250. https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221250

2 ） Lv X, Lei Y, Shi J, et al. High-throughput screening of Ta 1− x Hf x C y ceramics for mechanical and oxidation performance optimization for ultra-high-temperature applications. Journal of Advanced Ceramics , 2026, 15(3): 9221252. https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221252

3 ） Shao Z, Zeng D, Xu M, et al. A novel highly porous dual-phase high-entropy ultrahigh-temperature ceramic with outstanding properties. Journal of Advanced Ceramics , 2025, 14(9): 9221132. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221132

4 ） 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, 14(7): 9221106. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221106

《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，主编为中国科学院院士、清华大学林元华教授、苏州国家实验室周延春教授、广东工业大学林华泰教授和哈尔滨工业大学张幸红教授。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， 2025 年发文量为 202 篇； 2025 年 6 月发布的影响因子为 16.6 ，连续 5 年位列 Web of Science 核心合集 “ 材料科学，陶瓷 ” 学科 34 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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