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西北工業(yè)大學(xué)在氧化物共晶陶瓷抗CMAS腐蝕方面取得重要進(jìn)展！

2023-07-06 14:41:20 作者：腐蝕與防護(hù) 來源：腐蝕與防護(hù) 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)。

西北工業(yè)大學(xué)蘇海軍教授團(tuán)隊(duì)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。相關(guān)研究成果近日發(fā)表在Journal of Materials Science & Technology。

║腐蝕產(chǎn)物成分及組織形態(tài)

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Y(jié)AG相組成，而CMAS是一種無定形玻璃相，并在反應(yīng)產(chǎn)物中檢測(cè)到少量的鈣長(zhǎng)石相(CaAl₂Si₂O₈)。

圖1：Al₂O₃/YAG共晶和CMAS粉末在1300^oC反應(yīng)后腐蝕產(chǎn)物相組成

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。基底與CMAS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小時(shí)的反應(yīng)層厚度比腐蝕2小時(shí)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）。

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)腐蝕過程和腐蝕產(chǎn)物示意圖；(g)析出相尺寸統(tǒng)計(jì)

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)的質(zhì)量百分比，點(diǎn)1趨于CaAl₂Si₂O₈相，點(diǎn)2趨于MgAl₂O₄相，點(diǎn)3為Al₂O₃相。

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

║腐蝕產(chǎn)物形成過程解析及界面結(jié)構(gòu)

通過對(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)。總的來說，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。

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)

結(jié)論與展望

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。試驗(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。

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