YbTaO4-Ta2O5基环境障涂层的高温氧化与CMAS腐蚀行为研究及其对SiCf/SiC复合材料性能提升的意义

《Materials Chemistry and Physics: Sustainability and Energy》：High-temperature oxidation and CMAS corrosion behavior of YbTaO 4-Ta 2O 5-based environmental barrier coatings

　　本研究针对SiC纤维增强SiC复合材料(SiCf/SiC-CMCs)在高温服役环境下易发生氧化和钙镁铝硅酸盐(CMAS)腐蚀的关键问题，开展了YbTaO4-Ta2O5基环境障涂层(EBCs)的防护性能研究。通过大气等离子喷涂(APS)制备了双层和三层涂层体系，发现在1350°C高温氧化300小时后，带有涂层的复合材料强度保留率显著提升；同时揭示了YbT-T涂层在1350°C下经历50小时CMAS腐蚀后形成以CaTa2O6等产物为主的相互作用层，为新一代航空发动机热端部件防护技术开发提供了重要依据。

　　

随着航空航天技术的飞速发展，对发动机性能的要求日益苛刻，其中热端部件需要在极高温度下稳定工作。碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(SiC_f/SiC-CMCs)因其优异的高温强度、低密度和耐磨损特性，成为替代传统镍基高温合金的理想选择，有望显著提升发动机的工作温度与效率。然而，这些复合材料在高温含水蒸气环境中会发生严重氧化，形成二氧化硅(SiO₂)保护层，但该层在高温下易挥发，导致材料性能急剧退化。更严峻的挑战来自环境中的沉积物，如沙尘、火山灰等，它们在高温下熔融形成钙镁铝硅酸盐(CMAS)，会侵蚀材料表面，加速其失效。因此，开发能够有效抵抗高温氧化和CMAS腐蚀的环境障涂层(Environmental Barrier Coatings, EBCs)成为推动SiC_{f/SiC复合材料应用的关键技术瓶颈。}

为解决上述难题，研究人员将目光投向新型涂层材料体系。稀土钽酸盐，特别是镱钽酸盐(YbTaO₄)，因其较低的热导率和良好的高温相稳定性而受到关注。然而，单一YbTaO₄涂层与SiC基体之间的热膨胀系数不匹配可能导致涂层开裂。将YbTaO₄与氧化钽(Ta₂O₅)结合形成YbTaO₄-Ta₂O₅(YbT-T)复合体系，有望在保持优异抗腐蚀性能的同时改善其热机械性能。为此，研究团队系统评估了YbT-T基环境障涂层体系的防护效果，相关成果发表在《Materials Chemistry and Physics: Sustainability and Energy》上。

本研究采用的关键技术方法包括：使用大气等离子喷涂(Atmospheric Plasma Spraying, APS)技术在SiC_f/SiC复合材料基底上制备了双层(YbT-T/Si)和三层(YbT-T/Yb₂Si₂O₇/Si, 其中YbDS代表Yb₂Si₂O₇)涂层体系；通过1350°C下持续300小时的等温氧化实验评估涂层的抗氧化能力，并监测涂层保护下复合材料的强度保留率；专门针对YbT-T涂层，在1350°C下进行了50小时的CMAS腐蚀实验，以研究其抗熔融硅酸盐腐蚀的机理。

涂层制备与结构表征

研究人员通过大气等离子喷涂成功在SiC_f/SiC复合材料上制备了结构致密的双层YbT-T/Si和三层YbT-T/YbDS/Si环境障涂层。表征结果显示，涂层与基底之间以及各涂层之间结合良好，未发现明显的宏观裂纹或分层现象，为后续的性能测试奠定了结构基础。

高温氧化性能评估

通过对带有涂层与无涂层的SiC_f/SiC复合材料进行1350°C、300小时的等温氧化实验，并比较其强度保留率，得出结论：受YbT-T基环境障涂层保护的SiC_f/SiC复合材料，其强度保留率显著高于未受保护的复合材料。这一结果直接证明了YbT-T基涂层体系能有效阻隔氧气，延缓基体材料的氧化进程，从而维持复合材料的结构完整性。

CMAS腐蚀行为研究

针对YbT-T涂层在1350°C下经历50小时CMAS腐蚀后的微观结构分析表明，涂层表面与CMAS熔体发生了剧烈的相互作用。通过分析得出，腐蚀产物层主要由大量气孔、CaTa₂O₆化合物、未完全反应的YbTaO₄以及弥散分布的残余CMAS玻璃相组成。该相互作用层的形成消耗了部分涂层材料，并改变了涂层表面的结构和成分，揭示了CMAS腐蚀的具体过程与产物。

综上所述，本研究证实了通过大气等离子喷涂制备的YbTaO₄-Ta₂O₅基环境障涂层能显著提升SiC_f/SiC复合材料在1350°C极端高温下的抗氧化能力，有效维持其力学性能。同时，研究首次详细报道了YbT-T涂层在高温CMAS环境下的腐蚀反应机制，明确了主要腐蚀产物为CaTa₂O₆等。这些发现不仅验证了YbT-T作为新型环境障涂层材料的可行性，更重要的是为优化涂层成分设计、改善涂层结构以进一步提升其抗腐蚀性能提供了关键的科学依据和理论支撑，对推动高性能航空发动机热端部件的研发与应用具有重要的指导意义。