目錄摘要 環(huán)境障涂層的研究進(jìn)展1.緒論1.1引言隨著航空工業(yè)的發(fā)展，航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的燃?xì)鉁囟群腿細(xì)鈮毫υ诓粩嗵岣?，航空發(fā)動(dòng)機(jī)將會(huì)面臨更加苛刻惡劣的服役環(huán)境。目前看來，1400℃以上的表面溫度才能滿足新一代高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)的當(dāng)前需要。在過去的幾十年間，發(fā)動(dòng)機(jī)零部件所用材料及制備工藝得到飛速發(fā)展，人們致力于尋找一種耐高溫、耐氧化腐蝕、具有優(yōu)良力學(xué)性能的材料。航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域現(xiàn)如今的發(fā)展重點(diǎn)是高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)展高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)的目的是為了提高渦輪進(jìn)口溫度和減小結(jié)構(gòu)質(zhì)量。而提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)所需燃料的溫度，會(huì)引起渦輪等部件溫度的大幅升高，造成高溫部件的損壞，影響到航空發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命[1]。鎳基高溫合金由于其優(yōu)異的熱阻特性，高溫下的高強(qiáng)性，良好的的耐腐蝕特性以及優(yōu)異的抗蠕變疲勞特性等而廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端部件中。鎳基單晶高溫合金具有很好的高溫力學(xué)特性，比如優(yōu)異的抗蠕變疲勞能力，以及良好的耐氧化腐蝕性能等等，這些都是由于合金元素的作用，合金成分的不斷改進(jìn)是鎳基高溫合金不斷發(fā)展的關(guān)鍵。Re元素的添加而發(fā)展產(chǎn)生的第二代高溫單晶合金的耐溫能力要比第一代高溫合金高約30℃，在此基礎(chǔ)上Ru和Ir等合金元素的添加產(chǎn)生了更高性能的第四和第五代合金[2]。高溫合金的發(fā)展提升了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，隨著對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比等性能要求越來越高，會(huì)進(jìn)一步推動(dòng)高溫合金的發(fā)展，未來單晶高溫合金必然朝著密度更小、高溫強(qiáng)度更高的方向發(fā)展。這樣既能減輕發(fā)動(dòng)機(jī)的重量又會(huì)提高推力，同時(shí)提高單晶高溫合金的高溫抗氧化腐蝕特性，確保航空發(fā)動(dòng)機(jī)在各種環(huán)境下能夠長期安全可靠的工作[3]。從最初的鍛造合金到目前使用的單晶合金，已經(jīng)使得發(fā)動(dòng)機(jī)前進(jìn)口溫度提高了近300℃。但是目前鎳基高溫合金的最高工作溫度也僅為約1050℃，進(jìn)一步的提高將非常困難[4]。上世紀(jì)70年代以來，國內(nèi)外開始普遍采用冷卻系統(tǒng)及陶瓷熱障涂層技術(shù)來降低金屬基體溫度[5，6]。雖然該技術(shù)能有效降低合金表面的溫度達(dá)100℃-150℃，但其安全溫度仍限制在1200℃-1250℃附近，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于1400攝氏度以上的溫度需求。因此，為滿足先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的需求，就必須尋找能夠取代鈦合金或鎳基合金，在更高的溫度下穩(wěn)定使用的新型高溫結(jié)構(gòu)材料[5-8]。碳化硅、氮化硅、陶瓷基復(fù)合材料(ceramicmatrixcomposites,CMC)等硅基非氧化物陶瓷材料具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能和高溫穩(wěn)定性，可有效地提高發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪進(jìn)口溫度和降低結(jié)構(gòu)重量，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比和降低燃油消耗，有望取代鎳基高溫合金作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端部件。[9]陶瓷基復(fù)合材料在高于傳統(tǒng)的鎳基高溫合金的使用溫度1200℃下，仍然表現(xiàn)出良好的性能狀態(tài)。C/SiC陶瓷基復(fù)合材料是一種常用的硅基耐高溫陶瓷材料，它的基體是碳化硅，增強(qiáng)體為連續(xù)碳纖維，既保持了碳纖維優(yōu)異的機(jī)械性能，又克服了碳化硅陶瓷脆性大和可靠性差的缺點(diǎn)。這種材料具有高的比強(qiáng)度和比模量，而且密度低、耐高溫、耐磨耐腐蝕；同時(shí)又具有對(duì)裂紋不敏感、沒有災(zāi)難性損毀的特點(diǎn)，是非常具有潛力的熱結(jié)構(gòu)性材料，在航空、航天、高性能武器裝備等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[10-12]。目前，Cf/SiC復(fù)合材料主要應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端構(gòu)件承受中等載荷的靜止件，如尾噴管調(diào)解片、火焰穩(wěn)定器、渦輪外環(huán)等。該材料能夠提高工作時(shí)的溫度（200~500℃），結(jié)構(gòu)減重為30%~50%，是新一代高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵材料[13,14]。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道CMS-SiC在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)重量減少505，材料疲勞壽命優(yōu)于高溫合金。用CMS-SiC制備的燃料室最高溫度可以達(dá)到1200℃[15]。圖1鎳基合金、熱障涂層、陶瓷基復(fù)合材料等汽輪機(jī)材料冷卻環(huán)境下材料最大耐受燃?xì)鉁囟鹊陌l(fā)展進(jìn)程和耐熱能力[16]但是陶瓷基復(fù)合材料在高溫下易發(fā)生氧化，極大地影響材料性能。研究發(fā)現(xiàn)Cf/SiC復(fù)合材料的氧化過程中氣相的擴(kuò)散、C相和SiC相的氧化均與溫度有關(guān)，因此Cf/SiC復(fù)合材料在幾個(gè)不同的溫度區(qū)間存在不同的氧化行為[17-20]。圖2C/SiC的氧化動(dòng)力學(xué)曲線1)低溫區(qū)(＜700℃)，材料表面存在的微裂紋是氧化介質(zhì)擴(kuò)散入內(nèi)部的通道，主要由C的氧化反應(yīng)控制材料的氧化行為。溫度升高氧化速率增大；2)中溫區(qū)(700～1100℃)，SiC基體發(fā)生被動(dòng)氧化，基體微裂紋表面形成一層致密的SiO2膜，愈合了氧氣擴(kuò)散的通道。此時(shí)氧化速率有逐漸減小的趨勢(shì)；3)高溫區(qū)(1100～1400℃)，氧化介質(zhì)通過制備缺陷擴(kuò)散至材料內(nèi)部，同時(shí)溫度較高反應(yīng)速率較快，綜合作用使得材料氧化速率逐漸增大；4)超高溫區(qū)(＞1500℃)，Cf/SiC復(fù)合材料的氧化損耗率將急劇增大，目前普遍被接受的解釋有2個(gè)：一是SiO2膜粘度嚴(yán)重下降，極易揮發(fā)和流動(dòng)，喪失了對(duì)Cf/SiC的有效保護(hù);二是溫度更高且氧含量較低時(shí)SiC主動(dòng)氧化，造成SiC迅速氧化損耗。由于C/SiC復(fù)合材料主要應(yīng)用于高溫環(huán)境中，但高溫會(huì)造成材料性能下降，直接影響其壽命和安全性，高溫氧化就成了一個(gè)必須要解決的問題。因此，需要找到一種良好的抗氧化技術(shù)，使C/SiC復(fù)合材料具有良好的抗高溫氧化性和優(yōu)良的力學(xué)性能。目前應(yīng)用比較廣泛的抗氧化技術(shù)有三種，分別是界面抗氧化，基體改性抗氧化和涂層抗氧化[21]。涂層抗氧化技術(shù)最為成熟，操作簡單，效果良好。這種方法就是通過制備一種涂層，將其覆蓋在材料表面，就可以阻止氧化介質(zhì)從外表面擴(kuò)散進(jìn)入基體，隔絕材料與氧化介質(zhì)的氧化反應(yīng)，雖然制備工藝難度較低，但是選擇合適的涂層材料也是一個(gè)難點(diǎn)。根據(jù)適用溫度范圍的不同，C/SiC陶瓷基復(fù)合材料抗氧化涂層大致可以分為兩種：適用于高溫環(huán)境下（1400℃）的自愈合涂層和適用于超高溫環(huán)境下的超高溫抗氧化燒蝕涂層。單層SiC是最簡單的自愈合涂層，其制備方法有包埋法和化學(xué)氣相沉積法。在其基礎(chǔ)上，可以研制出適用于更大溫度范圍的復(fù)合自愈合涂層體系。復(fù)合自愈合涂層一般包括內(nèi)外層和中間相三層結(jié)構(gòu)，對(duì)此也有不同的研究。對(duì)于耐超高溫抗氧化涂層，單一的超高溫陶瓷涂層氧化產(chǎn)物與基體的結(jié)合強(qiáng)度差，為防止涂層脫落，可以將其與硅基材料連用，例如用硅做粘結(jié)層制備雙層涂層。硅基氧化物與超高溫陶瓷氧化物反應(yīng)，可以生成在超高溫下?lián)]發(fā)性較低，具有一定粘度和流動(dòng)性的硅酸鹽或硼硅酸鹽，可以改善涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度[21]。1.2環(huán)境障涂層概述由于C/SiC復(fù)合材料是新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件中的理想候選材料，可應(yīng)用于尾噴管、燃料室、渦輪等部件，其工作部位的表面溫度在1400℃以上。在發(fā)動(dòng)機(jī)工作環(huán)境下，多種因素之間，包括高溫、腐蝕介質(zhì)、燃?xì)鉀_刷以及復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境可以發(fā)生相互作用，導(dǎo)致SiC表面氧化生成的致密SiO2保護(hù)膜會(huì)與環(huán)境中的水蒸氣反應(yīng)生成具有揮發(fā)性的Si(OH)x，主要是Si(OH)4，反應(yīng)過程如圖3所示。SiC基體的不斷揮發(fā)導(dǎo)致基體組成成分逐漸減少，使材料性能衰退，從而制約材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的應(yīng)用。如果在構(gòu)件表面制備一層耐水氧腐蝕、熔鹽腐蝕以及抗其他環(huán)境因素?fù)p傷的涂層，便可有效規(guī)避不良反應(yīng)，我們把這種涂層稱為環(huán)境障涂層(EnvironmentalBarrierCoating，EBC）[13]。EBC一般為氧化物或氧化物混合物陶瓷涂層。除水蒸氣之外，還有許多其他環(huán)境因素可能造成涂層腐蝕磨損，EBC能夠作為高溫結(jié)構(gòu)材料和發(fā)動(dòng)機(jī)惡劣環(huán)境（高速氣流沖刷、腐蝕介質(zhì)等）之間的一道屏障，減少或者阻止發(fā)動(dòng)機(jī)工作環(huán)境對(duì)高溫結(jié)構(gòu)材料性能的影響。圖3SiC在水氧耦合環(huán)境中的腐蝕行為示意圖[1]EBC可以抵抗環(huán)境的腐蝕，也可以阻斷及愈合裂紋和空隙。合格的環(huán)境障涂層需要滿足的條件有許多，如良好的抗氧化腐蝕能力、較低的氧擴(kuò)散率、與基體相匹配的熱膨脹系數(shù)、良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)相容性等[22]。圖4EBC材料的基本要求[23]1.3本文選題依據(jù)及主要內(nèi)容如前所述，提高燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的進(jìn)氣溫度就可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的核心功率和燃油效率，提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料的耐受溫度是當(dāng)今的研究熱點(diǎn)。環(huán)境障涂層是非常適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件耐高溫硅基陶瓷材料的一種保護(hù)涂層，環(huán)境障涂層可以提高材料的抗氧化性能、耐水氧腐蝕性以及高溫穩(wěn)定性等，合適的EBC甚至可以提高基體的力學(xué)性能。由于航空航天技術(shù)正在我國飛速發(fā)展，尋找合適的、性能更加優(yōu)良的環(huán)境障涂層成為了許多研究人員的目標(biāo)，相關(guān)的研究文獻(xiàn)不在少數(shù)。我通過查閱文獻(xiàn)，將基于環(huán)境障涂層的發(fā)展歷程做一個(gè)總結(jié)和介紹，文章將通過三個(gè)大方面展開：一、環(huán)境障涂層的發(fā)展；二、環(huán)境障涂層的研究現(xiàn)狀；三、環(huán)境障涂層的制備工藝。每個(gè)方面我都會(huì)結(jié)合現(xiàn)如今國內(nèi)外研究人員發(fā)表的文獻(xiàn)進(jìn)行不同小方面的展開。環(huán)境障涂層的發(fā)展主要經(jīng)歷了四個(gè)階段：傳統(tǒng)的莫來石/YSZ涂層、第二代Si/莫來石/BSAS三層涂層、第三代Si/莫來石/稀土硅酸鹽三層涂層、第四代新型熱環(huán)境障涂層。EBC經(jīng)歷了幾個(gè)階段的改進(jìn)，逐漸獲得了性能更加優(yōu)良、耐更高燃?xì)鉀_刷溫度、更加穩(wěn)定的相結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，也在不斷摒棄一些缺點(diǎn)。如今的環(huán)境障涂層，研究最多的是稀土硅酸鹽和新型T/EBC，不同種類的面層材料各具優(yōu)勢(shì)劣勢(shì)，我將借用各位優(yōu)秀研究人員的研究結(jié)果對(duì)相關(guān)的涂層進(jìn)行一些性能上的總結(jié)。在EBCs不斷發(fā)展的同時(shí)，其制備工藝也得到了不同程度的改進(jìn)，我也將對(duì)不同的制備方法進(jìn)行介紹。2.環(huán)境障涂層的發(fā)展2.1傳統(tǒng)環(huán)境障涂層傳統(tǒng)EBC多采用莫來石/氧化釔穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)。最先由美國SolarTurbines公司和橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室分別采用等離子噴涂法和漿料法制備莫來石涂層[24]。作為當(dāng)時(shí)EBC的首選研究對(duì)象，莫來石具有其特有的性質(zhì)如良好的化學(xué)相容性，而且熱膨脹系數(shù)與基體相差不大，作為涂層可以表現(xiàn)出良好的抗熱震性能和抗熔鹽腐蝕性能。Lee等人[25]的研究發(fā)現(xiàn)莫來石單層涂層在1230℃，6atm（大氣壓強(qiáng)）、氣體流速為2000cm/s的條件下進(jìn)行50h腐蝕處理后，表面出現(xiàn)了8微米厚的多孔Al2O3層。它所存在的主要問題是涂層在使用過程中會(huì)產(chǎn)生較多的裂紋,使得腐蝕性物質(zhì)能夠沿著裂紋滲入和基體接觸，造成基體的破壞。在長期使用過程中，莫來石涂層會(huì)逐漸暴露出一些缺點(diǎn)，比如粘結(jié)性差、容易產(chǎn)生裂紋等。莫來石的抗水氧腐蝕能力不佳，且模量高，增加了在燃?xì)猸h(huán)境中長時(shí)間服役的風(fēng)險(xiǎn)。為此，研究人員借鑒了YSZ（ZrO2-8wt%Y2O3）在燃?xì)鉁u輪高溫合金部件上的成功應(yīng)用，通過在莫來石涂層表面制備YSZ層，形成莫來石+YSZ多層涂層以提高其抗水氧腐蝕性能[13]。Roode等[26]和Federer[27]采用等離子噴涂和料漿工藝在Si基陶瓷表面制備單層的莫來石涂層，以及雙層的莫來石/Y2O3，莫來石/Al2O3，莫來石/YSZ涂層，表明了莫來石/YSZ雙層涂層在使用初期具有良好的抗熱震和抗熔鹽腐蝕性能。NASAGlenn中心的研究小組研究表明[28]YSZ中的Y2O3含量為6wt%~8wt%是穩(wěn)定劑的最佳配比。Lee等人[29]將(莫來石+YSZ)涂層體系、莫來石單層涂層、沒有涂層的SiC基體在相同條件下進(jìn)行腐蝕處理并分析了涂層的質(zhì)量變化，結(jié)果表明：莫來石+YSZ涂層保護(hù)的SiC材料失重明顯減小，對(duì)SiC起到了一定的保護(hù)作用，該雙層涂層優(yōu)于莫來石單層涂層，如圖5所示。他們還將莫來石+YSZ涂層體系在1300℃水氧體系下進(jìn)行了200h處理，發(fā)現(xiàn)莫來石層產(chǎn)生了裂紋，水蒸氣和O2從裂紋中滲入，與SiC發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生孔隙。這是由于YSZ的熱膨脹系數(shù)高，與莫來石和基體相差較大（YSZ的CTE是莫來石和SiC的兩倍左右），雖然摻雜YSZ可以減少SiO2的揮發(fā)，但在冷熱交替下會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力的變化，致使涂層在多次熱循環(huán)中開裂剝落（圖6）使EBC的發(fā)展遇到了瓶頸[27]圖5莫來石和莫來石/YSZ涂層保護(hù)的SiC試樣在1230℃、氣體流速2000cm/s環(huán)境中腐蝕后的失重曲線[29]圖6莫來石/YSZ涂層在水氧環(huán)境下腐蝕200h后的形貌[27]2.2第二代環(huán)境障涂層第二代環(huán)境障涂層是由粘結(jié)層(Si)、中間層(莫來石/莫來石+BSAS)、面層(BSAS，[(1-x)BaO-xSrO-Al2O3-2SiO2，0≤x≤1]共同組成的擁有多層結(jié)構(gòu)的涂層體系。制備莫來石涂層前先在硅基陶瓷表面沉積一層硅，可大大以增強(qiáng)涂層和基體的結(jié)合力，更大程度地提高了涂層材料對(duì)基體保護(hù)的持久性。面層材料BSAS由于具有較低的彈性模量和熱膨脹系數(shù)以及與莫來石匹配性好等優(yōu)點(diǎn)，面層在熱循環(huán)過程中就會(huì)產(chǎn)生較小的熱應(yīng)力，從而在很大程度上抑制了裂紋的產(chǎn)生。中間層可以在原有的莫來石基礎(chǔ)上添加了BSAS，會(huì)使得涂層整體的穩(wěn)定性得到提升[30]。美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室采用等離子噴涂和漿料法等工藝制備了該三層EBC，顯微結(jié)構(gòu)如圖7所示。美國對(duì)BSAS體系的涂層在燃燒室環(huán)境中進(jìn)行靜態(tài)燃?xì)鉁u輪實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件為1200℃、燃?xì)鈮毫?MPa，其中水蒸氣壓力為0.15MPa，累計(jì)運(yùn)行了13937h材料才失效[31]。圖7典型的BSAS體系顯微結(jié)構(gòu)[31]Lee等研究發(fā)現(xiàn)[24]用BSAS替代YSZ系統(tǒng)的YSZ表面涂層，可以將水蒸氣中加速氧化的發(fā)生時(shí)間延遲至少2倍。與莫來石和YSZ相比，莫來石基復(fù)合粘結(jié)涂層和BSAS面層顯示出更高的抗裂性(如圖8所示)，從而顯著提高了涂層在燃燒環(huán)境中的耐久性。已經(jīng)證實(shí)，在1300℃、90%H2O/O2、2h一次的熱循環(huán)環(huán)境中，涂層耐久性達(dá)到了1000h，并且在1200℃高壓燃燒環(huán)境中也具有200h以上的耐久性。圖8改性莫來石/BSAS包覆的SiC在循環(huán)水蒸氣爐中腐蝕后的SEM圖[24]BSAS體系EBC涂層雖然已得到成功應(yīng)用[32]，但存在三個(gè)缺點(diǎn)：（1）在高溫高速燃?xì)猸h(huán)境中，BSAS材料有較大的揮發(fā)率，從而影響了BSAS體系涂層的使用壽命；（2）在大約1300℃環(huán)境下，BSAS容易與由硅粘結(jié)層氧化形成的SiO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成低熔點(diǎn)玻璃相，在更高溫度下玻璃相生成速度更快，如圖9所示。玻璃相導(dǎo)致涂層結(jié)合力降低，高速汽輪發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)獯底叩腿埸c(diǎn)的玻璃相，從而造成BSAS涂層在超過1300℃下不能長期使用。（3）含硅酸鹽的碎片(灰塵、沙、火山巖灰、跑道碎片)從進(jìn)氣口被吸入并沉積在涂層表面上，當(dāng)涂層表面溫度超過1200℃，這些污染物就會(huì)形成熔融的鈣鎂鋁硅鹽CMAS玻璃相[33,34]。CMAS滲透到EBC的晶粒邊界，驅(qū)逐B(yǎng)SAS微晶，會(huì)增加和熔融物相互作用的面積，這種相互作用在涂層中產(chǎn)生了分相。而且，在晶粒邊界和交叉處的CMAS薄膜有可能會(huì)降低涂層的綜合機(jī)械性能并且增加涂層局部區(qū)域的揮發(fā)傾向。因此，這些熔融物的出現(xiàn)將嚴(yán)重影響環(huán)境障涂層的性能[35]。圖9Si/莫來石+BSAS/BSAS環(huán)境障涂層熱循環(huán)后截面形貌[33,34]為解決BSAS系材料的上述不足，人們又開始研發(fā)性能更加優(yōu)良的第三代環(huán)境障涂層。NASAGleen研究小組[30]開始研發(fā)第三代在表面溫度為1482℃、涂層與基底界面溫度為1316℃的苛刻溫度條件下能夠維持穩(wěn)定的涂層材料。一些新型材料包括稀土硅酸鹽等憑借其低的熱膨脹系數(shù)以及優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，特別是在1300℃以上出色的抗水蒸氣腐蝕能力，成為當(dāng)前新的研究熱點(diǎn)。2.3第三代環(huán)境障涂層對(duì)于環(huán)境障涂層，有效抵御環(huán)境中的水蒸氣和熔鹽的腐蝕是其首要要求。涂層表面在1400℃或更高溫度下和中間層的莫來石之間具有較好的熱物理性能匹配、化學(xué)相容性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是保證涂層服役壽命的必要條件。為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，NASAGlenn研究中心支持的美國《超高效發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)》計(jì)劃對(duì)新一代EBC涂層提出更高要求（如圖10所示）。(1)最外層需要在1482℃以上水氧環(huán)境中具有一定的穩(wěn)定性和耐腐蝕性；(2)在1400℃以上面層與中間過渡層有良好化學(xué)相容性和力學(xué)相容性；(3)EBC粘結(jié)層與基體結(jié)合處能夠在1316℃下工作數(shù)千小時(shí)而不發(fā)生性能退化。圖10新一代EBC的發(fā)展要求[36]第三代EBC主要以稀土硅酸鹽為研究對(duì)象，它包括兩種類型，即單稀土硅酸鹽（RE2SiO5）和雙稀土硅酸鹽（RE2Si2O7）。RE代表稀土元素，包括Sc,Yb,Er,和Lu等。稀土硅酸鹽的熱膨脹系數(shù)低，非常接近于SiC、Si3N4；并且稀土硅酸鹽能夠承受較高的溫度，相穩(wěn)定性好；其與中間層化學(xué)兼容性較好，在1500℃下抗水蒸氣腐蝕能力優(yōu)于BSAS,適宜作為更高溫度下的環(huán)境障涂層面層材料[37-42]。圖11為Yb2SiO5在1380℃，90%H2O-10%O2熱循環(huán)環(huán)境中，經(jīng)1000h腐蝕后的形貌。從圖11可以看出該涂層體系熱循環(huán)后截面形貌良好，表明涂層化學(xué)相容性較好，不產(chǎn)生中間相[43]?？芍⊥凉杷猁}涂層比BSAS涂層具有更優(yōu)異的耐高溫、水氧腐蝕的特性，并且在高速燃?xì)猸h(huán)境中具有較低的揮發(fā)率，能夠滿足未來環(huán)境障涂層的發(fā)展需求[44,45]。圖11硅/莫來石/Yb2SiO5環(huán)境障礙涂層熱循環(huán)后截面圖張小峰等人[43]采用等離子噴涂-物理氣相沉積技術(shù)在SiC/SiC復(fù)合材料表面依次制備了Si/莫來石/Yb2SiO5三層結(jié)構(gòu)環(huán)境障涂層，涂層形貌如圖12所示。圖12(a)中可以看出Si涂層表面較為光滑,其表面由熔融性較好的扁平粒子組成,同時(shí)還存在少量的微熔和濺射粒子。圖12(b)為莫來石涂層表面形貌,表面存在交織的微裂紋,裂紋旁的微熔和濺射粒子數(shù)量均大于Si涂層。圖12(c)為Yb2SiO5涂層表面形貌,涂層表面也存在微裂紋,但裂紋尺度比莫來石涂層小,涂層表面微熔和濺射粒子數(shù)量大于Si涂層但小于莫來石涂層。圖12EBC涂層表面形貌(a)Si涂層(b)莫來石涂層(c)Yb2SiO5涂層涂層表面適當(dāng)存在微裂紋有利于增加涂層應(yīng)力容限,提高涂層的抗剝落能力,但同時(shí)又會(huì)加速水蒸氣和熔融腐蝕物向涂層內(nèi)部滲透,導(dǎo)致涂層失效。在噴涂過程中,涂層裂紋的形成主要因?yàn)橥繉討?yīng)力的產(chǎn)生。當(dāng)涂層的膨脹系數(shù)小于基體時(shí),涂層受壓應(yīng)力,反之涂層受拉應(yīng)力。在沉積過程中,基體溫度越高,涂層與基體之間熱膨脹系數(shù)相差越大,從而加劇涂層的冷卻應(yīng)力[46]。在Si-莫來石-Yb2SiO5涂層體系中,Si的熱膨脹系數(shù)小于基體,因此Si涂層受壓應(yīng)力,不容易產(chǎn)生裂紋,而其它涂層材料包括Yb2SiO5和Mullite的熱膨脹系數(shù)大于Si,沉積后Mullite和Yb2SiO5涂層受拉應(yīng)力,比Si涂層更易產(chǎn)生微裂紋。賀世美等人[47]采用電子束物理氣相沉積和等離子噴涂工藝在Cf/SiC基體上制備出Si/3Al2O3-2SiO2+BSAS/Yb2SiO5環(huán)境障涂層，研究了該涂層在1400℃恒溫環(huán)境下的抗氧化性能。結(jié)果表明，涂覆環(huán)境障涂層的Cf/SiC試樣在氧化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到80h時(shí)開始出現(xiàn)失重。范金娟等人[48]采用化學(xué)氣相沉積與等離子噴涂相結(jié)合的方法在SiC/SiC復(fù)合材料表面制備了Si/Mullite/Er2SiO5新型環(huán)境障涂層，并研究了其在1350℃下的氧化行為。結(jié)果表明，該涂層試樣前期氧化速率較高，隨著氧化時(shí)間的增加逐漸趨于穩(wěn)定，可以在1350℃下長期工作。稀土硅酸鹽具有低的熱膨脹系數(shù)、優(yōu)良的抗水氧腐蝕性能和相穩(wěn)定性，更重要的是在發(fā)動(dòng)機(jī)服役時(shí)的高速燃?xì)猸h(huán)境中具有較低的揮發(fā)率，除此之外，稀土硅酸鹽材料體系具有豐富的化學(xué)組分和晶體結(jié)構(gòu)多樣性，熱學(xué)、力學(xué)和抗腐蝕性能的變化非常顯著，綜合性能設(shè)計(jì)調(diào)控的靈活度高，用稀土硅酸鹽材料體系設(shè)計(jì)制造合理的環(huán)境障涂層體系意義重大。因此，國內(nèi)外有很多研究人員對(duì)稀土硅酸鹽環(huán)境障涂層在航空發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境下的系列性能開展了研究，是當(dāng)今EBC的研究熱點(diǎn)。2.4第四代環(huán)境障涂層具有較高固有溫度能力的EBC涂層陶瓷組件需要連接到較低溫度的金屬硬件上，由此不可避免地產(chǎn)生溫度梯度[49]，此外，在更高的溫度下，對(duì)相變材料的熱防護(hù)要求也越來越高。因此，迫切需要對(duì)EBC涂層陶瓷基復(fù)合材料進(jìn)行熱防護(hù)[50,51]。由此提出了一種混合涂層系統(tǒng)——多層熱/環(huán)境障涂層。第三代EBC已基本滿足1400℃燃?xì)猸h(huán)境中的長期使用，在著眼于未來復(fù)合材料發(fā)展與應(yīng)用方面上，NASA結(jié)合在高溫合金上使用的TBC涂層，提出T/EBC涂層的設(shè)計(jì)理念，以滿足SiC/SiC襯里及葉片未來在1650℃水氧耦合環(huán)境中的使用要求。其涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖14所示。其主要結(jié)構(gòu)包括四層[52]。第一層是表層耐高溫的TBC涂層，主要由具有低導(dǎo)熱率的陶瓷材料組成，包括La2Zr2O7和Gd2Zr2O7等，為下面的涂層和基體提供熱保護(hù)，同時(shí)能夠作為第一級(jí)輻射屏蔽層阻擋一部分來自高溫燃燒室環(huán)境和涂層高溫表面的紅外熱輻射；第二層是能量消耗層和化學(xué)阻擋層；第三層是環(huán)境阻擋層，即EBC涂層；第四層是納米復(fù)合材料粘結(jié)層。這種新型的T/EBC能滿足更高的使用溫度，相較EBC具有更加良好的抗氧化、抗水氧腐蝕、抗熔融鹽侵蝕的性能，使得越來越多的研究人員開始尋找合適的表層TBC，對(duì)此有許多相關(guān)研究。圖131650℃條件下使用的先進(jìn)T/EBC設(shè)計(jì)原理[52]圖14T/EBCs概念示意圖和表面形貌圖（四層結(jié)構(gòu)：TBC、中間層、EBC層、粘合層）[53]

3．環(huán)境障涂層的研究現(xiàn)狀3.1稀土硅酸鹽的相關(guān)研究3.1.1EBC材料的氧擴(kuò)散環(huán)境障涂層通常用于保護(hù)碳化硅陶瓷基復(fù)合材料，使其在燃燒環(huán)境中免受腐蝕，從而延長硅基高溫陶瓷在熱區(qū)的使用壽命。影響陶瓷基復(fù)合材料使用壽命的主要過程是氧化物材料的熱生長，這是由氧通過陶瓷基復(fù)合材料的擴(kuò)散導(dǎo)致的。在水氧環(huán)境中對(duì)EBCs/CMCs氧化動(dòng)力學(xué)的研究表明EBCs阻礙了大部分水蒸氣的輸送。然而，氧更容易通過電子束團(tuán)擴(kuò)散并與碳化硅結(jié)合層反應(yīng)，從而形成熱重二氧化硅層（TG-SiO2）[55-57]。TG-SiO2的產(chǎn)生和生長導(dǎo)致了二氧化硅層和EBC之間應(yīng)力的增加。當(dāng)TG-SiO2的厚度超過一個(gè)特定的閾值時(shí)，EBC上就會(huì)形成裂紋[55,58]。由熱重二氧化硅層引起的應(yīng)力隨著熱循環(huán)或熱沖擊效應(yīng)而進(jìn)一步增加，這加速了裂紋的產(chǎn)生[59]。這些裂紋是涂層剝落的潛在位置，也是EBC失敗的根源[55]。Zhao等[60]通過使用O2示蹤劑來研究氧在EBC材料中的擴(kuò)散行為。研究中使用的雙稀土硅酸鹽(RE2Si2O7)EBC材料是Sc2Si2O7、Yb2Si2O7和Y2Si2O7。通過飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜法獲得(ToF-SIMS)得到氧/氧同位素交換深度剖面，并將結(jié)果用于計(jì)算氧通過EBC材料的擴(kuò)散系數(shù)。結(jié)果表明EBC材料的擴(kuò)散行為與其各自的晶體結(jié)構(gòu)相關(guān)。三種硅酸鹽中Y2Si2O7具有最好的阻擋氧擴(kuò)散的能力，這與以前的研究一致。這些二硅酸鹽中的氧擴(kuò)散行為進(jìn)一步與它們各自的晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。γ-Y2Si2O7表現(xiàn)出最好的阻擋氧擴(kuò)散的能力，因?yàn)樗圈?Yb2S2O7或β-Sc2S2O7具有更少的開放通道，可以阻擋氧通過該材料的擴(kuò)散。此外，與γ結(jié)構(gòu)相比，β結(jié)構(gòu)(β-Yb2Si2O7和β-Sc2Si2O7)中較短的鍵長會(huì)導(dǎo)致更小的開放通道，從而導(dǎo)致更慢的氧擴(kuò)散。本研究的結(jié)果為基于晶體結(jié)構(gòu)選擇具有強(qiáng)抗氧化性的二硅酸鹽EBCs提供了一種策略。3.1.2稀土硅酸鹽涂層與CMAS的反應(yīng)和其他環(huán)境障涂層一樣，稀土硅酸鹽體系不可避免地會(huì)受到熔融的鈣鎂鋁硅酸鹽(CMAS)的侵蝕，CMAS可能來自空氣中的塵土、巖灰等，從而影響涂層的性能，降低保護(hù)作用。由此一種新的涂層失效模式進(jìn)入了研究人員的視野，這就是熔點(diǎn)在1190℃~1260℃之間的鈣鎂鋁硅酸鹽顆粒在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部高溫作用下融化后侵蝕熱障涂層所導(dǎo)致的涂層失效。CMAS可以隨高溫氣流進(jìn)入渦輪，融化后形成液體，對(duì)涂層造成侵蝕[61]。北京理工大學(xué)的學(xué)者[30]采用大氣等離子噴涂工藝在SiCf/SiC基體上制備了Si/Yb2SiO5涂層，在1300℃、壓力1.013×105Pa條件下探究了Si/Yb2SiO5涂層的抗CMAS侵蝕性能。研究發(fā)現(xiàn)CMAS侵蝕Yb2SiO5涂層后在界面處形成相鄰的致密磷灰石層，反應(yīng)層的存在可以抵擋CMAS對(duì)涂層的進(jìn)一步侵蝕。CMAS與Yb2SiO5涂層之間具有較高的界面反應(yīng)活化能，且CMAS與Yb2SiO5的反應(yīng)速率常數(shù)較低，CMAS與Yb2SiO5之間的界面反應(yīng)非常緩慢，因而在高溫CMAS侵蝕的條件下，Yb2SiO5涂層比較穩(wěn)定，因此Yb2SiO5涂層有較好的抗CMAS侵蝕效果。Stolzenburg等人[62]研究了兩種稀土硅酸鹽環(huán)境障涂層材料Yb2SiO5和Yb2Si2O7與CMAS之間的相互作用。采用X射線衍射、掃描電子顯微鏡、X射線光譜和電子衍射研究了在1300℃下Yb2SiO5和Yb2Si2O7暴露于CMAS環(huán)境中的反應(yīng)。結(jié)果表明，Yb2SiO5與CMAS發(fā)生強(qiáng)烈反應(yīng)，完全溶解Yb2SiO5，形成六方晶Ca2Yb8(SiO4)6O2沉積。相比之下，在96h暴露下，觀察到CMAS和Yb2Si2O7之間沒有明顯的反應(yīng)。與Yb2Si2O7相比，Yb2SiO5能更容易反應(yīng)形成硅酸鹽氧基磷灰石，磷灰石層可以阻擋熔融鹽的繼續(xù)滲入，由此可見，單稀土硅酸鹽的抗CMAS腐蝕性能更好。Richards和Wadley在硅基陶瓷材料上應(yīng)用了多功能EBC。他們使用硅酸鐿作為頂層來保護(hù)襯底免受熱腐蝕,表明在多功能涂層中裂紋和孔隙的形成促進(jìn)了氧從頂層向基底的轉(zhuǎn)移，并降低了涂層系統(tǒng)的耐腐蝕性[63]。在鈣鎂鋁硅酸鹽(CMAS)存在下，在1400℃下對(duì)燒結(jié)的單硅酸鐿進(jìn)行了2、12和48小時(shí)的高溫腐蝕行為研究，結(jié)果證實(shí)了Yb2SiO5對(duì)CMAS的弱耐腐蝕性。Lee等人[64]在高壓燃燒器試驗(yàn)中研究了碳化硅、莫來石和8YSZ的衰退。莫來石中多孔氧化鋁層容易破碎和剝落，但是8YSZ沒有顯示出任何重量損失，這表明8YSZ在水蒸氣中具有優(yōu)異的耐衰退性和優(yōu)異的穩(wěn)定性。Poerschke等人[65]研究了二硅酸釔環(huán)境屏障涂層與熔融鈣鎂鐵鋁硅酸鹽(CMFAS)的反應(yīng)。結(jié)果表明，Yb2Si2O7涂層對(duì)CMFAS的耐蝕性較弱。AliAbediNieai等人[66]采用無壓燒結(jié)工藝制備了不同組成的Yb2SiO5和Yb2SiO5-YSZ陶瓷復(fù)合材料。在CMAS存在下，于1400℃研究了合成的Yb2SiO5陶瓷復(fù)合材料的熱腐蝕行為和相穩(wěn)定性。圖15在1400℃下熱腐蝕(a)4小時(shí)(b)12小時(shí)(c)24小時(shí)(d)48小時(shí)后燒結(jié)的Yb2SiO5XRD衍射圖該圖顯示了在不同時(shí)間間隔熱腐蝕后燒結(jié)的Yb2SiO5樣品的反應(yīng)層的XRD圖。在測(cè)試的4、12和24小時(shí)后，檢測(cè)到Y(jié)b2SiO5、Yb2Si2O7和鋁鐿氧化物(Al5Yb3O12)的生成。燒結(jié)的Yb2SiO5與二氧化硅和Al2O3在CMAS發(fā)生反應(yīng)，形成Yb2Si2O7和Al5Yb3O12相。Lakiza等人[67]在對(duì)Yb2SiO5涂層的熱腐蝕研究中報(bào)告了這些相的形成，這對(duì)EBC來說并不是不希望的。據(jù)幾種文獻(xiàn)報(bào)道，Yb2Si2O7可以用作EBC體系的面層材料。Al5Yb3O12是石榴石結(jié)構(gòu)的中間相。據(jù)Klemm和Fritsch[68]報(bào)道，具有石榴石結(jié)構(gòu)的材料表現(xiàn)出類似于稀土硅酸鹽的行為，并且致密的Al5Yb3O12層可以保護(hù)材料免受進(jìn)一步腐蝕。由于8YSZ具有良好的耐高溫腐蝕和耐衰退性，可以將8YSZ摻雜在Yb2SiO5中。AliAbediNieai等人[66]為了研究8YSZ對(duì)Yb2SiO5熱腐蝕性能的影響，制備了3種不同類型的Yb2SiO5/8YSZ復(fù)合材料，YSZ的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10%、20%和30%。用這三種不同組成的8YSZ/Yb2SiO5分別研究CMAS腐蝕劑在1400℃的腐蝕效果，并與Yb2SiO5的腐蝕結(jié)果進(jìn)行比較。結(jié)果表明，添加YSZ會(huì)改善涂層的機(jī)械性能，并且Yb2SiO5-30%YSZ作為最佳選擇，因?yàn)樵摵繕悠放c其它樣品相比反應(yīng)層厚度較低，并且在該樣品中生成了石榴石相Al5Yb3O12與Ca3ZrSi2O9，從而形成了防止樣品腐蝕的保護(hù)層。所有的復(fù)合材料樣品都顯示出較小的反應(yīng)層，這意味著復(fù)合材料樣品具有更好的抗熱腐蝕性能。所以它們可以用來替代純Yb2SiO5環(huán)境障涂層。Liu等人[68]針對(duì)硅酸鹽礦物沉積在EBCs表面形成一種玻璃態(tài)的鈣鎂鋁硅酸鹽(CMAS)從而導(dǎo)致EBCs降解的問題，制備了7種稀土硅酸鹽(RE2Si2O7，RE=Yb，Lu，La，Gd，Eu，Sc和Y)以分析其CMAS腐蝕行為。結(jié)果表明，RE2Si2O7可以在1250℃~1350℃溫度范圍內(nèi)與CMAS反應(yīng)，在界面處形成反應(yīng)區(qū)。對(duì)于Yb2Si2O7、Lu2Si2O7、La2Si2O7、Eu2Si2O7和Gd2Si2O7，反應(yīng)區(qū)分散溶解在熔融CMAS中并與RE2Si2O7分離。而對(duì)于Sc2Si2O7和Y2Si2O7，反應(yīng)區(qū)可以停留在界面處，它們可以有效地阻止熔融CMAS滲透到RE2Si2O7中，并保護(hù)它們免受CMAS腐蝕。RE2Si2O7和CMAS的兩種腐蝕情況如圖16所示。圖16RE2Si2O7的CMAS腐蝕行為示意圖[30]Poerschke等人[69]和Turcer等人[70]發(fā)現(xiàn)二硅酸釔(Y2Si2O7，YDS)的CMAS耐腐蝕性不令人滿意，因此有必要進(jìn)行調(diào)整。Turcer等人[70]進(jìn)一步比較了YDS和無硅YAlO3的耐蝕性，并揭示了鋁對(duì)硅的顯著改善作用；然而，它的熱膨脹系數(shù)明顯高于碳化硅。此外，張等[71]證明了使用添加鋁涂層的改性稀土硅酸鹽可以產(chǎn)生積極的效果。通過這些研究，可以預(yù)測(cè)鋁是提高EBC抗CMAS腐蝕能力的關(guān)鍵因素。此外，Turcer等人[72]研究了稀土硅酸鹽的抗CMAS腐蝕能力，并說明CMAS可能通過滲透晶界并導(dǎo)致其內(nèi)部熱失配而使硅酸鹽涂層失效。因此，有必要開發(fā)一種新的EBC材料，其主要特征包括摻入鋁以增強(qiáng)其抗CMAS腐蝕能力，開放晶界很少，以及與SiCf/SiC復(fù)合材料的CTE匹配。Y2O3-Al2O3-SiO2(Y-Al-Si-O，YAS)玻璃是一種將鋁引入硅酸釔的材料。Fan等人[73,74]使用這種玻璃來封裝SiCf/SiC材料，這證實(shí)了它與SiCf/SiC的良好熱匹配。此外，玻璃可以轉(zhuǎn)化為玻璃陶瓷，這大大提高了其耐溫性。玻璃中的晶體從非晶相沉淀，因此它們被非晶相包圍，從而防止CMAS熔體通過晶界間隙腐蝕材料。因此，YAS玻璃是EBC非常有前途的CMAS耐腐蝕材料。研究人員[75]觀察在1300℃下腐蝕12小時(shí)的YAS剖面，反應(yīng)層顯然是一個(gè)鈣長石層，邊緣清晰，將YAS和CMAS隔開。能譜圖掃描結(jié)果顯示鈣長石層下(YAS側(cè))幾乎沒有鈣的分布，這表明鈣從鈣長石層擴(kuò)散，CMAS在YAS表面生成鈣長石，沒有進(jìn)一步滲入YAS。鈣長石界面層中的釔含量低于YAS，甚至低于CMAS。因此，該層對(duì)Y有明顯的阻擋作用。鈣長石顆粒的堆積阻礙了Y在熔體中的擴(kuò)散，從而抑制了離子交換，進(jìn)而抑制了腐蝕。在保持EBC材料的CTE與具有非晶相包裹晶粒結(jié)構(gòu)的SiCf/SiC相匹配的前提下，將鋁引入硅酸釔得到Y(jié)AS微晶玻璃產(chǎn)物，從而避免了開放晶界的存在。與傳統(tǒng)的硅酸釔相比，YAS具有更強(qiáng)的耐CMAS腐蝕能力。綜上所述，抵御環(huán)境中的水蒸氣腐蝕以及CMAS侵蝕是環(huán)境障涂層探索中的重點(diǎn)。一種好的環(huán)境障涂層材料必須是多種性能綜合優(yōu)勢(shì)的集中體現(xiàn)，如盡可能低的熱導(dǎo)率、耐高溫、抗變形破裂等。就目前的相關(guān)研究來說，不同種類稀土硅酸鹽材料抗水氧腐蝕及抗CMAS侵蝕的研究程度不一，其防護(hù)效果也存在較大提升空間。3.2新型熱環(huán)境障涂層的相關(guān)研究3.2.1(Y1/4Ho1/4Er1/4Yb1/4)2SiO5作為新型T/EBC稀土硅酸鹽(RE2SiO5和RE2Si2O7)是新一代耐用的EBC材料。它們相較于BSAS(1?xBaOxSrOAl2O32SiO2,，0≤x≤1)和莫來石(3Al2O3-2SiO2)表現(xiàn)出優(yōu)異的耐腐蝕性和高溫耐久性。先進(jìn)的EBC系統(tǒng)通常被布置成雙層方案[76]：低熱膨脹系數(shù)的雙稀土硅酸鹽夾層，與基體和硅結(jié)合層匹配，以及具有優(yōu)異的相穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性以及非常低的熱導(dǎo)率的單稀土硅酸鹽頂層[77]。Ho2SiO5顯示出非常好高溫彈性，非常低的導(dǎo)熱率[78]，以及優(yōu)異的抗熱蒸汽腐蝕性能[79]，但是抗CMAS腐蝕能力相對(duì)較弱[80]。另一個(gè)問題是RE2SiO5的熱膨脹系數(shù)(CTE)相對(duì)大于RE2Si2O7和硅基基體的熱膨脹系數(shù)，這將導(dǎo)致涂層的開裂和剝落。尋找滿足先進(jìn)EBC的關(guān)鍵要求且最佳性能相對(duì)平衡的前景稀土硅酸鹽仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。摻雜優(yōu)化已被采用來提高RE2SiO5單硅酸鹽的耐熱性能和機(jī)械性能。田等[81]通過改變稀土含量來調(diào)整(YbxY1-x)2SiO5固溶體的熱導(dǎo)率和楊氏模量；作者在(YbxY1-x)2SiO5固溶體中摻入鈥對(duì)熱物理性質(zhì)的影響顯示了一個(gè)類似的趨勢(shì)[79]。一般來說，二元稀土固溶體的性質(zhì)可以根據(jù)兩個(gè)端元單相的性質(zhì)來預(yù)測(cè)，一個(gè)共同的混合規(guī)則描述了每一種成分的平均性質(zhì)。等原子多組分氧化物，即高熵氧化物(HEO)，顯示出非常有趣的性質(zhì)，可能超出混合規(guī)則的預(yù)期[82,83]。在以前的工作中報(bào)道了HEO具有更強(qiáng)的相穩(wěn)定性、更高的彈性剛度和硬度以及更低的熱導(dǎo)率。受這些研究的啟發(fā)，XiaominRen等[84]研究了等原子四元固溶體(Y1/4Ho1/4Er1/4Yb1/4)2SiO5(以下簡稱YHoErYb)，以便從根本上理解稀土多組分的協(xié)同效應(yīng)。預(yù)計(jì)質(zhì)量差別、晶格畸變，化學(xué)鍵的不均勻性會(huì)帶來平衡的優(yōu)化，特別是對(duì)機(jī)械、化學(xué)和熱性能的混合效應(yīng)[85]。這是一個(gè)積極的嘗試，探索一個(gè)新的策略，為多功能TEBC應(yīng)用的復(fù)合稀土摻雜單硅酸鹽開發(fā)最佳性能。首先將RE2O3和SiO2粉末按(Y1/4Ho1/4Er1/4Yb1/4)2SiO5的化學(xué)計(jì)量比混合，再將混合粉末球磨、干燥、細(xì)篩、加熱獲得純的(Y1/4Ho1/4Er1/4Yb1/4)2SiO5粉末，在流動(dòng)的氬氣氣氛中，通過在1600℃和30兆帕下熱壓1小時(shí)來制備致密的大塊樣品。研究人員用X射線衍射儀測(cè)定樣品的相組成、掃描電子顯微鏡觀察樣品的微結(jié)構(gòu)，并且分別測(cè)量樣品和各個(gè)單組分稀土硅酸鹽的高溫動(dòng)態(tài)楊氏模量、計(jì)算其熱導(dǎo)率，并與基于混合規(guī)則的預(yù)測(cè)值進(jìn)行比較。如圖17所示，其楊氏模量從室溫到1600K下降了15%。這表明高溫彈性剛度的顯著保持，與單個(gè)RE2SiO5組分相比，YHoErYb的楊氏模量最高。圖18(a)顯示了熱導(dǎo)率的趨勢(shì)。柱狀圖19對(duì)所測(cè)的彈性模量、熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)、抗水氧腐蝕能力與預(yù)測(cè)值進(jìn)行了比較。圖17YHbErYb隨溫度而變的楊氏模量圖18隨溫度變化的熱導(dǎo)率圖19熱膨脹系數(shù)變化趨勢(shì)的比較圖20固溶體性質(zhì)與混合法則預(yù)測(cè)性質(zhì)的比較（楊氏模量、熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)和對(duì)水蒸氣的耐腐蝕性）可以看出，該等原子四元稀土硅酸鹽樣品具有更好的機(jī)械性能、與基體更匹配的熱膨脹系數(shù)、更低的熱導(dǎo)率和更好的抗水氧腐蝕性能，十分符合新型T/EBC的要求。這項(xiàng)研究工作為復(fù)雜的稀土摻雜方法設(shè)計(jì)T/EBC材料提供了新的視角，它還強(qiáng)調(diào)(Y1/4Ho1/4Er1/4Yb1/4)2SiO5是一種具有競(jìng)爭(zhēng)力的多功能T/EBC候選材料，具有優(yōu)良和平衡的整體性能。3.2.2T/EBC的潛在面層材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)硅基陶瓷材料的環(huán)境障涂層的研究中，滿足各種苛刻要求(相穩(wěn)定性、良好的抗燒結(jié)性、低熱導(dǎo)率、合適的CTE等)的可用高溫(接近1700℃)材料幾乎沒有。由于其明顯的缺點(diǎn)，例如在高于1200℃的溫度下的燒結(jié)和相變問題，傳統(tǒng)的YSZ（氧化釔穩(wěn)定氧化鋯）無法直接用于T/EBC的面層材料。La2Zr2O7(LZ)也被用為T/EBC系統(tǒng)[86]的隔熱TBC面漆。然而，其CTE(9.6×10?6K?1)比EBC層(7-8×10?6K?1)[87]高得多。La2Hf2O7（LH）與LZ結(jié)構(gòu)相似，被認(rèn)為是一種新型的熱障涂層材料，特別是作為T/EBC系統(tǒng)的隔熱面漆。LH陶瓷具有立方燒綠石結(jié)構(gòu)，在高達(dá)1600℃的溫度下具有優(yōu)異的相穩(wěn)定性和抗燒結(jié)性，其機(jī)械性能與典型的8YSZ相當(dāng)，導(dǎo)熱系數(shù)比8YSZ低約40%，甚至比LZ低14%。特別是LH陶瓷的相對(duì)低的CTE(8.76×10?6K?1)非常接近于作為EBC材料流行的稀土硅酸鹽的(7-8×10?6K?1)?？紤]到高溫容差和適中的CTE值，可以大力推廣高溫陶瓷作為T/EBC體系的隔熱面漆材料，它可以由高溫陶瓷層(CTE:8.76×10?6K?1)、稀土硅酸鹽-EBC層(CTE:7-8×10?6K?1)、莫來石(CTE:5-6×10?6K?1)和硅(CTE:3.5~4.5×10?6K?1)結(jié)合層組成，結(jié)合層在碳化硅/碳化硅陶瓷基復(fù)合材料(CTE:~4.5×10?6K?1)上熱膨脹系數(shù)梯度的逐漸變化將緩解多層之間的熱膨脹失配問題，最終保證T/EBC復(fù)合材料良好的高溫耐久性。當(dāng)然，盡管LH陶瓷的CTE值相對(duì)較低，但仍可推薦作為鎳基合金上典型的雙層陶瓷熱障涂層(DCL-TBC)系統(tǒng)的面漆，畢竟LH陶瓷具有優(yōu)異的高溫覆蓋能力。Liang等[88]對(duì)LH陶瓷在高溫下的機(jī)械性能、熱穩(wěn)定性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。圖21(a)在不同溫度下燒結(jié)6小時(shí)的LH陶瓷的體積收縮、熱腐蝕和斷裂表面后的截面形態(tài)(b)LH與LZ和8YSZ塊體的機(jī)械性能的比較。由圖20(a)可見，LH陶瓷在高溫下沒有明顯的體積變化。8YSZ的大體積收縮發(fā)生在1300℃，而左側(cè)體積保持不變。當(dāng)溫度升高到1600℃時(shí)，LH左側(cè)的體積僅收縮了16.84%，而8YSZ的體積收縮達(dá)到了24.78%。盡管兩種材料的燒結(jié)速率都隨著溫度的升高而加快，但LH陶瓷的收縮速率始終低于8YSZ,所以LH陶瓷比8YSZ陶瓷具有更好的抗燒結(jié)性能。燒結(jié)效應(yīng)會(huì)促進(jìn)熱導(dǎo)率和彈性模量的提高，從而導(dǎo)致熱障涂層的剝落失效[89-91]。由圖20(b)所示，LH相較于LZ的硬度較低，且LH的楊氏模量低于8YSZ，這可以補(bǔ)償熱失配應(yīng)力，有利于延長TBC的使用壽命。LZ的斷裂韌性（KIC）很低，而LH陶瓷的KIC相對(duì)較高，與8YSZ相當(dāng)，但遠(yuǎn)優(yōu)于LZ。斷裂韌性主要取決于斷裂能[91]。LH比LZ(-9.6eV/原子)[92]具有更高的內(nèi)聚能(-9.29eV/原子)，這可能很好地解釋了LH較高的斷裂韌性。高斷裂韌性通常導(dǎo)致沿晶和穿晶斷裂模式的出現(xiàn)，如圖20(a)中插入的顯微照片所示。此外，隨著溫度的升高，LH陶瓷的熱擴(kuò)散率和熱導(dǎo)率都降低，在200℃-1500℃范圍內(nèi)，LH陶瓷的熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)低于YSZ。對(duì)于T/EBC的候選面層材料，有三個(gè)關(guān)鍵的選擇標(biāo)準(zhǔn)，即高溫下化學(xué)穩(wěn)定性、低熱導(dǎo)率、與基體匹配的熱膨脹系數(shù)。一些研究表明，Y2Ti2O7燒綠石在高溫下具有高的化學(xué)穩(wěn)定性[94-95]。Y2Ti2O7的CTE據(jù)報(bào)道為8.36×10?6K?1[96]，低于YSZ(11×10?6K?1)，更接近碳化硅。此外，雖然還沒有關(guān)于高溫下整體Y2Ti2O7的實(shí)驗(yàn)熱導(dǎo)率的報(bào)告，但是其他燒綠石如La2Zr2O7(1.6Wm-1K-1)[96]和Nd2Zr2O7(1.3Wm-1K-1)[97]的公布熱導(dǎo)率比YSZ(2.3Wm-1K-1)的熱導(dǎo)率低得多。因此，預(yù)測(cè)Y2Ti2O7的熱導(dǎo)率也比YSZ低是合理的?？傊?，Y2Ti2O7可以滿足有前途的T/EBC候選材料的所有要求。SonThanhNguyen等[98]通過固態(tài)反應(yīng)和熱壓合成了Y2Ti2O7/鎳和Y2Ti2O7/碳化硅陶瓷復(fù)合材料。評(píng)價(jià)了兩種復(fù)合材料的機(jī)械性能，包括體積密度、維氏硬度和斷裂韌性。此外，還對(duì)復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)和物相進(jìn)行了分析，研究了基體和涂層在燒結(jié)過程中的反應(yīng)。該研究的目的是評(píng)估燒綠石Y2Ti2O7在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的EBC溫度的適用性。研究結(jié)果表明，Y2Ti2O7滿足新型T/EBC面層材料的三大標(biāo)準(zhǔn)，是很有前景的熱環(huán)境障涂層的面層材料。稀土硅酸鹽，尤其是鐿和镥硅酸鹽，是最有希望的EBC候選材料，因?yàn)樗鼈兙哂袃?yōu)異的熱性能。RE2Si2O7(RE=Yb，Lu)與SiC-CMCS襯底有很好的匹配性，但抗水汽腐蝕性能較差。由于二氧化硅組分的存在，稀土硅酸鹽容易遭受水蒸氣腐蝕。此外，與碳化硅-CMCS襯底相比，高得多的熱膨脹系數(shù)使得二氧化硅更容易開裂[99,100]。由于在制造過程中二氧化硅的蒸發(fā)，通過常規(guī)的大氣等離子噴涂(APS)沉積技術(shù)很難獲得單相、致密和無裂紋的稀土硅酸鹽層[101]。因此，二氧化硅的揮發(fā)是稀土硅酸鹽用作EBCs的一個(gè)棘手問題。為了不受SiO2揮發(fā)的影響，王等[102]研究了磷酸釔（YPO4）作為EBCs的應(yīng)用相關(guān)的性質(zhì)。相應(yīng)的結(jié)果表明，在準(zhǔn)靜態(tài)水蒸氣環(huán)境中，由于不含硅氧烷，YPO4具有良好的抗水蒸氣腐蝕性能。CMAS腐蝕是稀土硅酸鹽應(yīng)用的另一個(gè)障礙，如前所述，通常沉積在稀土硅酸鹽EBCS表面的CMAS具有相對(duì)較低的熔點(diǎn)(低于1250℃)。熔融的CMAS可以與稀土硅酸鹽反應(yīng)，形成新的結(jié)晶相具有不利的性質(zhì)，如高CTES和低韌性。王等的研究也表明YPO4具有高溫相穩(wěn)定性，與CTES碳化硅-CMCS襯底匹配良好，并具有優(yōu)異的抗熔鹽腐蝕能力。這些綜合性能使YPO4成為一種有前途的EBC候選材料[101]。眾所周知，物質(zhì)的性質(zhì)與其晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。當(dāng)材料具有相同的結(jié)構(gòu)時(shí)，它們會(huì)表現(xiàn)出相似的性質(zhì)。因此，LuPO4具有與YPO4相似的晶體結(jié)構(gòu)，可能是一種適合EBC應(yīng)用的材料。XunxunHu等[103]采用化學(xué)沉淀法和煅燒法合成了LuPO4，表征了碳酸镥的熱擴(kuò)散率、CTE、熱導(dǎo)率和相穩(wěn)定性，研究了高溫下不同時(shí)間熔融CMAS對(duì)LuPO4的熱腐蝕行為。圖22LuPO4與Lu2SiO5熱導(dǎo)率的比較如圖22所示，從室溫到1200℃，LuPO4的熱導(dǎo)率隨溫度的升高而降低，其值在3.82～1.86Wm–1K–1的范圍內(nèi)。高溫下的1.86Wm–1K–1值低于一些有前途的稀土硅酸鹽EBC材料，如Lu2SiO5，低熱導(dǎo)率有利于降低襯底表面溫度。圖23LuPO4陶瓷從100℃到1300℃的線膨脹率圖23顯示出了100至1300℃的LuPO4陶瓷的CTE時(shí)間依賴性。在該溫度范圍內(nèi)，CTE從在4.5~6.610-6/K之間變化，平均線性CTE為5.92×10-6K-1，，該值與碳化硅基陶瓷襯底(4.5~5.5×10-6K-1)的一致。適當(dāng)?shù)腃TE有利于減少因陶瓷層和陶瓷基復(fù)合材料之間的CTE不匹配而引起的殘余應(yīng)力。觀察在1300℃下，LuPO4經(jīng)CMAS腐蝕后的截面形貌，在CMAS玻璃層和LuPO4顆粒之間，可以看到約7微米厚的反應(yīng)層，反應(yīng)層主要由Ca8MgLu(PO4)7、CaAl2Si2O8、CaMgSi2O6和Lu2Si2O7相組成，該層上有孔洞和間隙，在反應(yīng)層下LuPO4塊體保持結(jié)構(gòu)完整性，這是因?yàn)橹旅芏B續(xù)的反應(yīng)層可以有效阻止熔融CMAS的滲透。由于形成保護(hù)性磷灰石阻擋層所需的涂層溶解量較少，所以與Lu2Si2O7相比，LuPO4顯示出顯著更高的CMAS耐腐蝕性。具有合適的熱性能和良好的CMAS耐蝕性的磷酸镥有望成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)中有應(yīng)用前景的EBC材料。

4.環(huán)境障涂層的制備工藝4.1漿料法漿料法是指將EBC粉末材料與適當(dāng)?shù)姆稚澈蟿?，溶劑等混合，通過涂漆或浸涂制備涂層的生坯，并通過烤箱隔熱處理除去涂層的生坯中的溶劑，然后通過高溫?zé)Y(jié)以獲得預(yù)期的EBC涂層。涂層的性能主要取決于漿料的性能參數(shù)，例如粉末的粒度分布，漿料的粘度，漿料的穩(wěn)定性和流變性。漿料法的優(yōu)點(diǎn)是制備工藝簡單，成本低。缺點(diǎn)是一次性制備的涂層厚度必須很薄，而較厚的涂層會(huì)導(dǎo)致涂層破裂。它表明涂層的制備過程需要多次燒結(jié)，并且多次燒結(jié)和過高的燒結(jié)溫度將損害復(fù)合材料的增韌纖維，特別是SiC纖維，并影響其機(jī)械性能。4.2溶膠-凝膠法溶膠-凝膠法是將原材料（通常是金屬無機(jī)鹽或金屬醇鹽）溶解在溶劑（水或醇）中形成均勻溶液，溶質(zhì)和溶劑經(jīng)過水解（或醇解）聚合反應(yīng)形成聚合物干燥或脫水后，均勻的溶膠轉(zhuǎn)變?yōu)槟z，然后進(jìn)行熱處理，得到所需的粉末。涂層的性能受許多因素的影響，例如溶膠結(jié)構(gòu)，粘度和時(shí)間。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)物在分子水平上是均一的。它可以在分子水平上定量實(shí)現(xiàn)均勻摻雜。化學(xué)反應(yīng)容易進(jìn)行，反應(yīng)溫度不高?？梢詼?zhǔn)備新材料；可以制成大面積或部分涂層。缺點(diǎn)是整個(gè)過程需要很長時(shí)間，需要幾天甚至幾周的時(shí)間。制備的凝膠中有很多微小的空隙，這會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品在干燥過程中收縮。4.3大氣等離子噴涂法大氣等離子噴涂法(AirPlasmaSpray,APS)的過程是首先將基體預(yù)熱，再利用等離子體火焰加熱使噴涂粉末熔化，在高速等離子焰流的作用下，噴涂材料將高速撞擊工件表面，形成平坦的涂層并立即固化，最后形成一層層狀結(jié)構(gòu)化涂層，該層狀結(jié)構(gòu)涂層由許多交錯(cuò)和波浪形的變形顆粒覆蓋。噴涂的粉末材料通過載氣進(jìn)入壓縮的高速等離子體射流，迅速顯示出熔融或半熔融狀態(tài)，并噴涂在相關(guān)材料的表面上，引起塑性變形并粘附在表面上，從而獲得致密的涂層。APS的優(yōu)勢(shì)在于它可以獲得具有高粘結(jié)強(qiáng)度的致密涂層。所制備的涂料具有優(yōu)異的整體性能，可應(yīng)用于許多領(lǐng)域。它是環(huán)境障涂層的主要制備方法之一。其主要缺點(diǎn)是涂層是無定形的，因此在高溫使用過程中涂層易于結(jié)晶和晶粒長大，從而導(dǎo)致大量裂紋并影響涂層的性能。近年來，Richards等人[104,105]對(duì)APS進(jìn)行了改進(jìn)，在噴涂過程中實(shí)現(xiàn)氣氛保護(hù)下高溫預(yù)熱基體的等離子噴涂，獲得了較好的效果。對(duì)于目前的涂層制備工藝來講，APS是應(yīng)用最廣泛的方法。4.4等離子噴涂-物理氣相沉積法等離子噴涂-物理氣相沉(PlasmaSpray-PhysicalVaporDeposition,PS-PVD)是在物理氣相沉積與等離子噴涂方法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型涂層制備方法，氣相，液相和固相共沉積，通過大大降低噴涂室的動(dòng)態(tài)工作氣壓，使用大功率等離子噴槍，高熱焓等離子氣體和工藝條件控制來制造噴涂粉末材料熔融狀態(tài)，部分甚至全部蒸發(fā)為氣相，可以將結(jié)構(gòu)復(fù)雜的涂層以氣-液-固或混合的方式非?？焖俚爻练e在各種基材的表面上，并且還可以實(shí)現(xiàn)不同組織結(jié)構(gòu)的復(fù)合設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)證明，用PS-PVD法制備的涂層具有高應(yīng)變能力和良好的抗熱腐蝕性能,微觀組織為柱狀晶體結(jié)構(gòu)。然而，涂層的生長方向平行于熱流方向，導(dǎo)致涂層的高熱導(dǎo)率。PS-PVD具有等離子射流直徑大，徑向分布均勻，涂層致密，孔隙率小等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，可以更方便的應(yīng)用于制備航空發(fā)動(dòng)機(jī)的各種復(fù)雜異性構(gòu)件的噴涂。該技術(shù)已經(jīng)在高溫金屬表面制備熱障涂層方面獲得應(yīng)用[106]，并且在制備EBC方面也開展了大量的研究，NASA實(shí)驗(yàn)室采用PS-PVD法制備的Si/mullite/Yb2SiO5涂層在1380℃燃?xì)鉀_刷環(huán)境中腐蝕1000h后的顯微結(jié)構(gòu)[107]，如圖23所示，表明用PS-PVD方法制備出的涂層體系具有良好的粘結(jié)性和抗裂紋能力，優(yōu)良的抗水氧腐蝕性能、相穩(wěn)定性和高速燃?xì)猸h(huán)境中較低的揮發(fā)率，可以滿足未來發(fā)動(dòng)機(jī)的使用要求。對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜零件的EBC涂層制備，選用PS-PVD方法具有明顯的優(yōu)勢(shì)[13]：（1）可以容易，快速地對(duì)基體進(jìn)行預(yù)熱，以防止在沉積過程中莫來石的無定形反應(yīng)；（2）可以在較寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)工藝，改變通過噴涂獲得的涂層結(jié)構(gòu)。通過調(diào)整工藝參數(shù)，可以在同一設(shè)備上完成硅粘結(jié)層，莫來石中間層和硅酸鹽面層的制備；（3）PS-PVD具有非視線噴涂的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的各種復(fù)雜零件的EBC涂層制備中也可以被廣泛使用。缺點(diǎn)是PS-PVD沉積效率較低，儀器設(shè)備昂貴，目前在國內(nèi)還沒有大范圍應(yīng)用。圖24PS-PVD法制備Si/mullite/Yb2SiO5涂層在水氧環(huán)境下腐蝕1000h后的形貌[107]5.總結(jié)與展望綜上所述，為了滿足新一代高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的表面溫度（1400℃以上），發(fā)動(dòng)機(jī)零部件所用材料經(jīng)歷了從鎳單晶合金到新型硅基陶瓷的發(fā)展，其高溫下的力學(xué)性能和穩(wěn)定性也得到了提高。但是硅基陶瓷復(fù)合材料在高溫下容易氧化，之后SiO2再與環(huán)境中的高溫水蒸氣反應(yīng)，生成Si(OH)4揮發(fā)，導(dǎo)致基體不斷損耗，性能衰退。為了阻止發(fā)動(dòng)機(jī)的惡劣工作環(huán)境對(duì)材料的腐蝕和磨損，可以在基體表面制備一層環(huán)境障涂層，EBC可以有效的提高構(gòu)件的耐水氧腐蝕、耐熔鹽腐蝕以及抗其他環(huán)境因素?fù)p傷的能力。環(huán)境障涂層經(jīng)歷了四個(gè)階段的發(fā)展，最初的莫來石涂層與基體的熱膨脹系數(shù)相匹配，是比較合適的EBC選擇，但在長時(shí)間工作下，粘結(jié)性會(huì)變差，容易產(chǎn)生裂紋，添加YSZ涂層可以提高抗水氧腐蝕性能，但YSZ的熱膨脹系數(shù)與莫來石和基體的相差較大，會(huì)使涂層在多次熱循環(huán)中開裂剝落。第二代環(huán)境障涂層采用粘結(jié)層(Si)+中間層（莫來石）+面層（BSAS）三層結(jié)構(gòu)體系，Si可以增加涂層與基體的結(jié)合力，BSAS與莫來石的熱膨脹系數(shù)匹配性較好，提高了體系的穩(wěn)定性和抗裂性。但該體系仍存在缺點(diǎn)，主要是BSAS在高溫高速燃?xì)猸h(huán)境中的揮發(fā)率較高。之后，人們采用稀土硅酸鹽代替BSAS用作新一代面層材料，稀土硅酸鹽的熱膨脹系數(shù)較低，具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，在1300℃以上抗水氧腐蝕能力出色，是當(dāng)今環(huán)境障涂層的一個(gè)研究熱點(diǎn)。不同種類的稀土硅酸鹽（RE2SiO5和RE2Si2O7，RE為Y、Yb、Lu、Sc等）的性能也有差別。其中有關(guān)Si/莫來石/Yb2SiO5的研究較多，其性能也比較優(yōu)異，抗氧化性能優(yōu)異，但有研究發(fā)現(xiàn)，該涂層體系在冷熱循環(huán)中容易產(chǎn)生裂紋；也有對(duì)其他稀土硅酸鹽的研究報(bào)道，例如Si/莫來石/Er2SiO5涂層，它可以隨著氧化時(shí)間的增加逐漸趨于穩(wěn)定。耐水氧腐蝕和熔鹽腐蝕是EBC的關(guān)鍵要求，許多EBC無法阻擋空氣中的沙土、灰塵形成的鈣鎂鋁硅酸鹽熔融物的腐蝕，為了提高EBC的抗CMAS腐蝕性，許多研究人員做出了很大的努力。有人采用將YSZ摻雜入Yb2SiO5的方式提高對(duì)CMAS的耐蝕性，并證明添加YSZ可以改善涂層的力學(xué)性能，Yb2SiO5-30%YSZ可以代替純的Yb2SiO5；有研究人員對(duì)Y2SiO5涂層進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在SiCf/SiC基體上制備了Si/Y2SiO5雙層涂層，并證明可以提高服役壽命，且與Yb2SiO5相比，Y2SiO5有較好的抗CMAS侵蝕效果；有學(xué)者對(duì)7種稀土硅酸鹽（RE2Si2O7，RE=Yb、Lu、La、Gd、Eu、Sc、Y)的抗CMAS腐蝕能力進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)Sc2Si2O7和Y2Si2O7與CMAS的反應(yīng)區(qū)可以停留在界面處而不是分散溶解在CMAS中，因此有更好的抗CMAS腐蝕效果；也有研究人員發(fā)現(xiàn)若在涂層中添加鋁可以產(chǎn)生積極的效果，基于此開發(fā)了一種新型EBC涂層即YAS玻璃（Y-Al-Si-O），YAS與CMAS反應(yīng)生成的鈣長石層，可以抑制進(jìn)一步腐蝕。目前EBC已經(jīng)發(fā)展到了第四代，即多層熱/環(huán)境障涂層，T/EBC可以滿足SiC/SiC復(fù)合材料未來在1650℃水氧耦合環(huán)境中的使用要求。T/EBC是由耐高溫的TBC表層、中間層、EBC涂層、粘結(jié)層組成。該涂層的關(guān)鍵在于尋找優(yōu)良的面層材料，一般為低導(dǎo)熱率的陶瓷材料，如La2Zr2O7,Gd2Zr2O7等。目前對(duì)T/EBC的相關(guān)研究也比較多，根據(jù)較新的文獻(xiàn)顯示，等原子四元稀土硅酸鹽固溶體(Y1/4Ho1/4Er1/4Yb1/4)2SiO5可以用作T/EBC的面層材料，研究顯示，其力學(xué)性能優(yōu)良，高溫下可以保持彈性剛度，同時(shí)，與基體的CTE更加匹配，熱導(dǎo)率更高，抗水氧腐蝕性更好，該材料屬于對(duì)單組分稀土硅酸鹽的改進(jìn)；也有研究表明La2Hf2O7(LH)比LZ性能更好，LH與8YSZ的力學(xué)性能相當(dāng)，而CTE更加適合，可以提高T/EBC的高溫耐久性；分別有研究報(bào)道了Y2TiO7、LuPO4兩種面層材料可以滿足T/EBC的全部要求，是很有前景的面層材料。對(duì)于EBC的制備，四種主要工藝各有優(yōu)缺點(diǎn)，PS-PVD方法的應(yīng)用前景最為廣闊，該制備方法優(yōu)勢(shì)最為突出，若能進(jìn)一步得到應(yīng)用，將會(huì)為EBC涂層的制備帶來極大的便利。通過不同的研究報(bào)道可以發(fā)現(xiàn)，一些性能優(yōu)良的材料如YSZ的摻雜可以提供有效方案，著眼于未來，將熱障涂層與環(huán)境障涂層結(jié)合或許可以得到優(yōu)異的航空發(fā)動(dòng)機(jī)服役涂層，這也是將來涂層方面的研究熱點(diǎn)；同時(shí)，不同稀土元素的組合也可以進(jìn)行研究，最終目的是得到一個(gè)熱膨脹系數(shù)與基體匹配、具有優(yōu)良的耐水氧、抗CMAS腐蝕性能、高溫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、力學(xué)性能優(yōu)異的涂層。在涂層制備工藝方面，PS-PVD因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，將來有可能成為新一代T/EBC制備的主要方法。同時(shí)，未來也需迫切重視EBC的服役環(huán)境性能考核評(píng)估，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)高溫高速燃?xì)鉀_刷環(huán)境，也需要發(fā)展一套科學(xué)的模擬測(cè)試方法，在評(píng)估涂層損傷行為方面，需要發(fā)展一套無損檢測(cè)方法，建立環(huán)境性能考核評(píng)價(jià)體系，為EBC在航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的廣泛應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

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