西工大蘇海軍團(tuán)隊(duì)《JMST》：氧化物共晶陶瓷抗腐蝕重要進(jìn)展
2023-06-30 16:57:58
作者：材料基 來(lái)源：材料基
分享至：
現(xiàn)代渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)高溫(1150−1250°C)下吸入空氣中的硅酸鹽顆粒(飛灰、沙漠沙、火山灰、跑道碎片等)，將導(dǎo)致嚴(yán)重的CaO-MgO-Al2O3-SiO2(CMAS)腐蝕，極大影響發(fā)動(dòng)機(jī)苛刻環(huán)境服役時(shí)間。為了延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命，人們一直致力于開發(fā)防護(hù)涂層以保護(hù)葉片等高溫合金基材免受熔融CMAS的腐蝕。但由于高溫下熔融的CMAS與涂層會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的熱化學(xué)反應(yīng)，嚴(yán)重降低涂層的耐應(yīng)變性，進(jìn)一步引起應(yīng)力積累并導(dǎo)致最終失效。氧化鋁基共晶自生復(fù)合陶瓷是利用凝固過(guò)程中基體相和第二相的共晶反應(yīng)形成的原位自生復(fù)合材料，具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能、組織穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。此外，該材料成分和致密微觀結(jié)構(gòu)在抵抗熔融CMAS滲透方面具有固有的優(yōu)勢(shì)。本文直接采用定向凝固技術(shù)制備的Al2O3/YAG共晶陶瓷作為結(jié)構(gòu)基底，以獲得理想的CMAS耐腐蝕性。重點(diǎn)研究了Al2O3/YAG共晶陶瓷在CMAS攻擊下的腐蝕行為和腐蝕機(jī)理，從而獲得綜合性能優(yōu)異、能夠在高溫腐蝕環(huán)境中長(zhǎng)期服役的超高溫結(jié)構(gòu)材料。近日，西北工業(yè)大學(xué)蘇海軍教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了不同高溫腐蝕時(shí)間內(nèi)Al2O3/YAG共晶陶瓷在CMAS攻擊下的腐蝕行為和腐蝕機(jī)理。論文闡明了腐蝕產(chǎn)物成分、組織形態(tài)以及腐蝕厚度隨時(shí)間的演變規(guī)律，揭示了Al2O3/YAG共晶陶瓷的抗CMAS腐蝕機(jī)理。相關(guān)工作以題為“High temperature calcium-magnesium-alumina-silicate (CMAS) corrosion behavior of directionally solidified Al2O3/YAG eutectic ceramic”的研究論文發(fā)表在Journal of Materials Science & Technology，2023，165：66-74。https://doi.org/10.1016/j.jmst.2023.04.060圖1：Al2O3/YAG共晶和CMAS粉末在1300oC反應(yīng)后腐蝕產(chǎn)物相組成圖2：1300°C下Al2O3/YAG共晶陶瓷表面的SEM圖：(a-e)凝固樣品；(a1-e1)燒結(jié)樣品；(b2-e2)腐蝕層反應(yīng)厚度見(f)；(f)腐蝕過(guò)程和腐蝕產(chǎn)物示意圖；(g)析出相尺寸統(tǒng)計(jì)圖3：(a)凝固樣品的SEM圖像和(a1)對(duì)應(yīng)圖(a)中的黃色虛線框區(qū)域的EDS圖；燒結(jié)樣品的(b)SEM圖像和其相應(yīng)的(b1)EDS圖掃描結(jié)果；(b2)圖(b)中三點(diǎn)的EDS點(diǎn)掃描結(jié)果在1300°C下CMAS腐蝕的Al2O3/YAG共晶陶瓷的XRD圖譜(圖1)表明，凝固和燒結(jié)的Al2O3/YAG共晶陶瓷主要由菱方Al2O3相和立方YAG相組成，而CMAS是一種無(wú)定形玻璃相，并在反應(yīng)產(chǎn)物中檢測(cè)到少量的鈣長(zhǎng)石相(CaAl2Si2O8)。在Al2O3/YAG共晶表面，CMAS熔體與共晶基底發(fā)生強(qiáng)烈的熱化學(xué)反應(yīng)，形成了較薄的反應(yīng)層(圖2)。共晶基質(zhì)的原始多相微結(jié)構(gòu)(密度>98.9%)被溶解成分離的碎片?；着cCMAS熔體反應(yīng)，沉淀生成新的條帶狀相，并與碎片連接形成一個(gè)熱化學(xué)反應(yīng)區(qū)。特別是隨著腐蝕時(shí)間的增加，反應(yīng)層逐漸增厚(圖2(b2−e2))。雖然CMAS腐蝕32 h的反應(yīng)層厚度比腐蝕2 h的反應(yīng)層厚度高4−6倍，但仍小于63.61 μm，遠(yuǎn)低于普通涂層的穿透深度(200−375 μm和300 μm)。如圖3(a)所示，熔融CMAS在凝固樣品中的穿透停止在基底的頂部，而沒有持續(xù)向下穿透。此外，Mg元素在氧化鋁相頂部富集，而燒結(jié)的共晶基底顯示，與Ca和Si元素相比，Mg元素繼續(xù)向下穿透一定的距離，如圖3(b1)所示。根據(jù)圖3(b2)的重量百分比，點(diǎn)1趨于CaAl2Si2O8相，點(diǎn)2趨于MgAl2O4相，點(diǎn)3為Al2O3相。║腐蝕產(chǎn)物形成過(guò)程解析及界面結(jié)構(gòu)圖4：滲透CMAS的凝固樣品腐蝕層的(a)HAADF圖像；(b)四個(gè)區(qū)域的元素分布圖；(c-e)分別用矩形框架標(biāo)記的三個(gè)界面以及YAG、CMAS和CaAl2Si2O8相的衍射斑點(diǎn)通過(guò)對(duì)各相的成分分析(圖4(b))，將#1、#4的相確定為CaAl2Si2O8和YAG相。區(qū)域#2和#3是兩個(gè)相互滲透的區(qū)域，在YAG和CMAS的薄界面(#3區(qū))，Mg含量也有所增加。CMAS滲透后，YAG(Al2O3)和CMAS界面的富集表明尖晶石(MgAl2O4)相的形成。同時(shí)，三種界面和SAED圖像(圖4(c))顯示，#1−#4區(qū)域分別為鈣長(zhǎng)石(CaAl2Si2O8)、CMAS和YAG。區(qū)域#3是中間區(qū)域擴(kuò)散過(guò)渡層，在該區(qū)域中保留了YAG相的晶格結(jié)構(gòu)，但可以檢測(cè)到Mg、Si和Ca的其他元素，且晶面間距呈減小的趨勢(shì)。同時(shí)，在#2區(qū)域的非晶相中也檢測(cè)到了Y元素，這進(jìn)一步證實(shí)了YAG的溶解與Y元素的擴(kuò)散和遷移有關(guān)。總的來(lái)說(shuō)，溶解-再沉淀是定向凝固Al2O3/YAG共晶陶瓷抗CMAS腐蝕的主要機(jī)制。綜上所述，本研究對(duì)比了凝固和燒結(jié)的Al2O3/YAG共晶陶瓷優(yōu)異的抗CMAS腐蝕性能。實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算表明，定向凝固Al2O3/YAG共晶陶瓷由于其致密的無(wú)晶界三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、化學(xué)活性低、高結(jié)晶誘導(dǎo)性，因而具有優(yōu)異的抗CMAS腐蝕性能。Al2O3/YAG共晶陶瓷的Al/Y元素溶解到CMAS中，促進(jìn)了鈣長(zhǎng)石(CaAl2Si2O8)相的形成，沉淀后形成致密的反應(yīng)層，從而阻止了CMAS的滲透。本研究為定向凝固氧化物共晶陶瓷作為極端環(huán)境用新型抗腐蝕高溫?zé)峤Y(jié)構(gòu)材料提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)途徑。蘇海軍，西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，材料學(xué)院副院長(zhǎng)。國(guó)家優(yōu)秀青年科學(xué)基金獲得者，中國(guó)有色金屬創(chuàng)新爭(zhēng)先計(jì)劃獲得者，入選國(guó)家首批“香江學(xué)者”計(jì)劃，陜西省“青年科技新星”、陜西高校青年創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)學(xué)術(shù)帶頭人和陜西重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)帶頭人。長(zhǎng)期從事先進(jìn)定向凝固技術(shù)與理論及新材料研究，涉及高溫合金、高熵合金、超高溫陶瓷、結(jié)構(gòu)功能一體化復(fù)合材料、生物陶瓷、鈣鈦礦太陽(yáng)電池，以及陶瓷和高溫合金激光增材制造等。主持包括國(guó)家自然基金重點(diǎn)、優(yōu)青等6項(xiàng)國(guó)家基金在內(nèi)的30余項(xiàng)國(guó)家及省部級(jí)重要科研項(xiàng)目，發(fā)表SCI論文160余篇。獲授權(quán)中國(guó)發(fā)明專利51項(xiàng)以及2項(xiàng)美國(guó)發(fā)明專利。參編專著3部。獲陜西高?？茖W(xué)技術(shù)研究?jī)?yōu)秀成果特等獎(jiǎng)、陜西省科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)、陜西省冶金科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)、全國(guó)有色金屬優(yōu)秀青年科技獎(jiǎng)和陜西青年科技獎(jiǎng)各1項(xiàng)。
免責(zé)聲明：本網(wǎng)站所轉(zhuǎn)載的文字、圖片與視頻資料版權(quán)歸原創(chuàng)作者所有，如果涉及侵權(quán)，請(qǐng)第一時(shí)間聯(lián)系本網(wǎng)刪除。
