Yb2SiO5稀土硅酸鹽環(huán)境障涂層研究進(jìn)展

侯偉驁，盧曉亮，高麗華，冀曉鵑，章德銘

（1.北京礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160 2.北京市工業(yè)部件表面強(qiáng)化與修復(fù)工程技術(shù)研究中心，北京 102206 3.特種涂層材料與技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206）

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)業(yè)在全球制造業(yè)中占有舉足輕重的地位，且國(guó)內(nèi)和國(guó)際市場(chǎng)需求量巨大，開發(fā)具有高推重比、高進(jìn)口溫度等優(yōu)良性能的航空發(fā)動(dòng)機(jī)一直是廣大研究者致力于研究的方向。高進(jìn)口溫度是實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)高推重比和高熱效率的重要因素[1]。新一代高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件表面溫度將達(dá)到1400℃以上，工況條件苛刻的熱端部件的工作溫度要求更高。例如，航空發(fā)動(dòng)機(jī)推重比達(dá)到8時(shí)，燃燒室出口溫度為1650℃，當(dāng)推重比達(dá)到10～12，燃燒室出口溫度將達(dá)到1850℃以上[2]。傳統(tǒng)的高溫合金材料的使用極限溫度在1100℃左右，已不能滿足先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的快速發(fā)展和迫切需要，科學(xué)家們一直致力于開發(fā)高溫陶瓷材料制成的熱端部件，硅基非氧化物陶瓷材料如碳化硅、氮化硅、陶瓷基復(fù)合材料(ceramic matrix composites, CMC)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[3]。眾所周知，航空發(fā)動(dòng)機(jī)面臨著高溫、腐蝕、燃?xì)鉀_刷等各種苛刻的環(huán)境條件，并且眾多因素相互影響，硅基陶瓷材料也面臨使用上的困境，例如，硅基陶瓷材料與水蒸氣反應(yīng)生成具有揮發(fā)性的Si(OH)x，導(dǎo)致部件性能衰退，影響使用壽命。在硅基陶瓷材料表面制備環(huán)境障涂層(Environmental barrier coatings，EBCs)是有效的緩解手段。

環(huán)境障涂層是確保復(fù)合材料構(gòu)件在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中長(zhǎng)時(shí)間服役的關(guān)鍵，主要用來(lái)抵抗環(huán)境的腐蝕，同時(shí)還兼具阻斷及愈合裂紋和空隙的作用[4]，目前已經(jīng)開發(fā)出三代環(huán)境障涂層體系。第一代環(huán)境障涂層是莫來(lái)石/YSZ，起源于莫來(lái)石(Mullite,3Al2O3·2SiO2)，莫來(lái)石具備與基體相匹配的熱膨脹系數(shù)、良好的化學(xué)相容性，是最先制備的環(huán)境障涂層[5]，但莫來(lái)石具有較高的SiO2活度(約0.4)，在高溫水蒸氣環(huán)境中易與水蒸氣反應(yīng)生成揮發(fā)性的 Si(OH)4氣體，使得涂層表面生成疏松多孔的Al2O3層，從而導(dǎo)致涂層脫落失去保護(hù)[6]。在莫來(lái)石涂層表面制備YSZ層，就發(fā)展成為莫來(lái)石/YSZ第一代多層環(huán)境障涂層體系以提高其抗高溫水蒸氣腐蝕能力[7]。但是由于YSZ的熱膨脹系數(shù)與莫來(lái)石涂層及基體材料相差較大，在經(jīng)過長(zhǎng)期的1300℃高溫水蒸氣環(huán)境服役后，涂層仍然會(huì)開裂，裂紋為腐蝕介質(zhì)提供通道，使得基體被腐蝕。研究人員在第一代環(huán)境障涂層的基礎(chǔ)上研究開發(fā)了Si作為粘結(jié)層，莫來(lái)石作為中間層，BSAS [(1-x)BaO-xSrO-Al2O3-2SiO2，(x≤1)]作為頂層的第二代多層 EBC 體系，該體系可提升涂層對(duì)基體的保護(hù)持久性。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，BASA體系涂層已經(jīng)得到成功應(yīng)用[8]，但在1300℃環(huán)境下，BSAS與SiO2存在低共熔點(diǎn)，容易與Si粘結(jié)層氧化形成的SiO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成玻璃相，導(dǎo)致涂層結(jié)合力降低，造成涂層提前剝落。因此，BASA涂層在1300℃以上不能長(zhǎng)期使用。為了解決上述不足，研究者開展了第三代環(huán)境障涂層的研究，即Si/莫來(lái)石/稀土硅酸鹽三層體系，其中頂層材料稀土硅酸鹽包括單稀土硅酸鹽 (RE2SiO5，RE, rare earth element, 稀土元素)和雙稀土硅酸鹽(RE2Si2O7)，由于具有低的熱膨脹系數(shù)、優(yōu)良的抗水氧腐蝕性能與相穩(wěn)定性，且與中間層莫來(lái)石化學(xué)相容性好，有望實(shí)現(xiàn)在1400℃或者更高溫度下燃?xì)猸h(huán)境中的長(zhǎng)期使用[9]。尋找性能最優(yōu)的稀土硅酸鹽材料，設(shè)計(jì)合理的多層環(huán)境障涂層體系是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

基于此，本文將重點(diǎn)論述以Yb2SiO5為代表的稀土硅酸鹽環(huán)境障涂層體系的制備方法、涂層形貌、相結(jié)構(gòu)影響，裂紋機(jī)制以及抗高溫水蒸氣腐蝕和CMAS腐蝕性能。

1 Yb2SiO5稀土硅酸鹽環(huán)境障涂層制備方法

稀土硅酸鹽環(huán)境障涂層傳統(tǒng)的制備方法包括漿料浸漬法、溶膠-凝膠法、大氣等離子噴涂等，等離子噴涂-物理氣相沉積作為一種新型的制備環(huán)境障涂層的方法也得到了關(guān)注。

1.1 漿料浸漬法

漿液浸漬技術(shù)是一種能夠在復(fù)雜形狀零件上制備環(huán)境障涂層的通用技術(shù)，且成本較低，涂層與基體在燒結(jié)后形成化學(xué)鍵結(jié)合，并具有柔性，可在涂層過程中形成耐應(yīng)變的納米/微孔結(jié)構(gòu)。然而，該技術(shù)需要很高的熱處理溫度才能獲得致密的涂層，但高溫會(huì)對(duì)基體造成一定程度的損傷[10]。

1.2 溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法是一種在低溫條件下制備耐腐蝕涂層的簡(jiǎn)便方法。YueXu等人[11]制備了一種Si/莫來(lái)石/Yb2Si2O7環(huán)境障涂層，其中采用等離子噴涂法制備了Si層和Yb2Si2O7層，采用溶膠-凝膠法制備了莫來(lái)石層。通過這種方法，在Si層表面和內(nèi)部孔隙中均形成了均勻的莫來(lái)石涂層，在高速燃燒環(huán)境下，莫來(lái)石層內(nèi)部能夠很好地防止水蒸汽對(duì)SiO2的選擇性揮發(fā)。通常情況下，溶膠-凝膠法可以得到均勻的涂層，但涂層膜太薄，通過多次制備可以得到滿足要求的厚涂層。

1.3 大氣等離子噴涂

大氣等離子噴涂(APS)是一種高能噴涂工藝，等離子體溫度在20000K左右，粉末顆粒速度可達(dá)450m/s，作為一種傳統(tǒng)的涂層制備手段，也大量被用于稀土硅酸鹽環(huán)境障涂層的制備，該技術(shù)成本低且在國(guó)內(nèi)外已得到應(yīng)用。Lee 等人[5]采用大氣等離子體噴涂法，以SiC陶瓷為基體制備莫來(lái)石涂層。由于非晶態(tài)莫來(lái)石的存在，傳統(tǒng)的等離子噴涂莫來(lái)石在碳化硅表面的熱循環(huán)過程中容易產(chǎn)生裂紋和剝落，如果在等離子噴涂過程中加熱碳化硅基體，即可消除非晶態(tài)相，制得的莫來(lái)石涂層與基體結(jié)合力強(qiáng)且抗熱震性能大幅度提升。此外，上海硅酸鹽鄭學(xué)斌課題組[12]也致力于大氣等離子體噴涂法制備環(huán)境障涂層，研究了物相組成對(duì)硅酸鐿涂層顯微結(jié)構(gòu)和耐蝕性能的影響。

1.4 等離子噴-物理氣相沉積

等離子噴涂-物理氣相沉積技術(shù)(PS-PVD,Plasma Spray-Physical Vapor Deposition)作為一種新型熱噴涂技術(shù)，其主要優(yōu)點(diǎn)在于較高的功率(可到180kW)和較低的真空度, 較高的功率可使噴涂材料實(shí)現(xiàn)氣、固、液多相沉積，較低的噴涂壓力使粉末粒子擁有較高的飛行速度(＞300m/s)，通過該技術(shù)可獲得致密的結(jié)構(gòu)或功能涂層[6,13]，因此也被用于稀土硅酸鹽環(huán)境障涂層的制備。張小鋒等人[14]采用等離子噴涂物理氣相沉積技術(shù)制備了低孔隙率、高致密Si/莫來(lái)石/Yb2SiO5環(huán)境障涂層，且研究了涂層微裂紋形成機(jī)制和涂層的沉積機(jī)制。

2 Yb2SiO5稀土硅酸鹽環(huán)境障涂層形貌、相結(jié)構(gòu)影響

2.1 Yb2SiO5稀土硅酸鹽環(huán)境障涂層形貌

不同工藝制備的環(huán)境障涂層性能不同，探究涂層工藝對(duì)結(jié)合強(qiáng)度、高溫抗氧化性能、耐水蒸氣腐蝕、耐熔鹽腐蝕性能的影響可以進(jìn)一步提升涂層的使用壽命。Richards等人[15-17]采用大氣等離子噴涂在SiC基體上制備了三層Si/3Al2O3-2SiO2/Yb2SiO5環(huán)境障涂層，系統(tǒng)地研究了大氣等離子體噴涂工藝參數(shù)對(duì)其表面涂層的組成、微觀結(jié)構(gòu)和缺陷的影響，涂層形貌如圖1(a)所示，經(jīng)過沉積和熱處理后的涂層，在任何界面上都沒有觀察到剝落現(xiàn)象，與低溫沉積的涂層相比，硅粘結(jié)層致密，面層也基本致密，只有一個(gè)直徑＞10μm的孔隙隨機(jī)分散在涂層中，且涂層的沉積密度明顯優(yōu)于近年來(lái)報(bào)道的其他等離子噴涂條件下涂層沉積密度[16]。

圖1 不同噴涂工藝制備的Si/3Al2O3-2SiO2/Yb2SiO5環(huán)境障涂層表面形貌：(a)大氣等離子噴涂[15]；(b)等離子噴涂物理氣相沉積[14]Fig.1 The surface morphology of the Si/3Al2O3-2SiO2/Yb2SiO5EBCs deposited by different spray technology:(a)APS, (b)PS-PVD

張小峰等人[14]采用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/3Al2O3-2SiO2/Yb2SiO5三層結(jié)構(gòu)環(huán)境障涂層，涂層形貌如1(b)所示， Si、3Al2O3-2SiO2和Yb2SiO5涂層均為致密結(jié)構(gòu)，無(wú)明顯的貫通裂紋與孔洞，Yb2SiO5為層狀結(jié)構(gòu)，3Al2O3-2SiO2層中含有少量獨(dú)立孔洞，三種涂層之間涂層界面結(jié)合緊密。其中Yb2SiO5與3Al2O3-2SiO2涂層之間存在明顯界面，3Al2O3-2SiO2涂層與Si涂層之間界面較為模糊。高溫、高速的等離子焰流可使噴涂粉末熔融充分，甚至氣化，從而在基體表面獲得低孔隙率、高致密界面的環(huán)境障涂層。

2.2 Yb2SiO5稀土硅酸鹽環(huán)境障涂層相結(jié)構(gòu)

采用大氣等離子噴涂制備的Si/3Al2O3-2SiO2/Yb2SiO5環(huán)境障涂層相結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示[15-17]，涂層包含兩種Yb2SiO5單斜相（與PDF標(biāo)準(zhǔn)卡片對(duì)比后，圖中標(biāo)記為I2/a和P21/c相）和一種Yb2O3立方相（圖中標(biāo)記為Ia-3相），過熱的Yb2SiO5熔融粒子易發(fā)生分解生成第二相Yb2O3，致使涂層的物相組成不同于粉體材料。1300℃下經(jīng)過20h熱處理后P21/c相幾乎全部消失，涂層中只剩下Yb2SiO5單斜相I2/a和Yb2O3立方相Ia-3，由于存在大量重疊的衍射峰，無(wú)法準(zhǔn)確地知道各相的體積分?jǐn)?shù)，初步的定性分析表明，Yb2SiO5涂層中P21/c和I2/a相比例約為2:1，立方Y(jié)b2O3相衍射峰的相對(duì)強(qiáng)度隨沉積參數(shù)(電流和H2濃度)的增大而增大，說明涂層中Yb2O3體積分?jǐn)?shù)增大。

采用等離子物理氣相沉積制備的Si/3Al2O3-2SiO2/Yb2SiO5環(huán)境障涂層相結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示[14]，(b1)和(b2)分別為Yb2SiO5噴涂粉末和等離子物理氣相沉積制備的Yb2SiO5涂層的XRD，Yb2SiO5粉末由Yb2O3和SiO2高溫固相反應(yīng)合成，衍射峰擬合度較高，采用固相法可獲得高純度及高結(jié)晶度的Yb2SiO5粉末。該粉末經(jīng)過等離子物理氣相沉積噴涂后的涂層的衍射峰消失，出現(xiàn)了晶體擇優(yōu)取向生長(zhǎng)現(xiàn)象，經(jīng)對(duì)比，Yb2SiO5涂層中除了Yb2SiO5單斜相外，也存在少量的Yb2O3立方相。

稀土硅酸鹽環(huán)境障涂層中第二相的出現(xiàn)及第二相的含量可能會(huì)對(duì)噴涂態(tài)涂層的微觀結(jié)構(gòu)、抗高溫水腐蝕性能及抗熱震性能產(chǎn)生較大的影響，因此系統(tǒng)地研究稀土硅酸鹽涂層的第二相對(duì)涂層結(jié)構(gòu)、性能及高溫結(jié)構(gòu)演變過程的影響，對(duì)于優(yōu)化涂層的性能具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。

圖2 不同噴涂工藝制備的Si/3Al2O3-2SiO2/Yb2SiO5環(huán)境障涂層XRD：(a)大氣等離子噴涂[15]；(b)等離子噴涂物理氣相沉積[14]Fig.2 The XRD of the Si/3Al2O3-2SiO2/Yb2SiO5 EBCs deposited by different spray technology: (a) APS, (b) PSPVD

3 Yb2SiO5稀土硅酸鹽環(huán)境障涂層裂紋機(jī)制

采用大氣等離子制備的沉積在SiC基材上的Yb2SiO5涂層發(fā)現(xiàn)了明顯垂直于涂層表面的大量泥(槽)裂紋和隨機(jī)取向的微裂紋，泥裂紋貫穿了Yb2SiO5涂層的整個(gè)厚度，且裂紋的間距和噴涂的功率無(wú)關(guān)，如圖1(a)所示。采用同樣手段制備的Yb2Si2O7涂層未出現(xiàn)任何裂紋，Richards等人[15-17]認(rèn)為形成的主要原因是與基體相比，Yb2SiO5的熱膨脹系數(shù)要高得多，在冷卻過程中產(chǎn)生了拉伸殘余應(yīng)力，等軸裂紋的產(chǎn)生是由試樣成分的局部變化引起的，從而引起彈性模量和熱膨脹系數(shù)的變化，這也與Lee等人[18]的研究結(jié)論一致。

朱濤等人[19]采用大氣等離子噴涂制備的Yb2SiO5涂層的表面、斷面和拋光后的截面形貌如圖3(a)、(b)、(c)所示，涂層為片層結(jié)構(gòu)的堆積，片層內(nèi)部含有垂直于片層的微裂紋，此外，還有氣孔、界面等缺陷。朱濤等人認(rèn)為此微裂紋的產(chǎn)生主要與噴涂過程中涂層上產(chǎn)生的熱應(yīng)力有關(guān)。主要包括三方面，一是熔融粒子在固化收縮的過程中，受到下面片層的拉應(yīng)力，產(chǎn)生裂紋；二是熔融粒子固化冷卻速率較大，引起的淬火應(yīng)力也會(huì)導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生；三是在噴涂的過程中，飛行粒子速度較大，當(dāng)其撞擊已成型的片層時(shí)，較大的撞擊力可能會(huì)使片層產(chǎn)生裂紋。鐘鑫等人[20]采用大氣等離子體噴涂法制備Yb2SiO5涂層，研究發(fā)現(xiàn)熱處理后涂層中裂紋愈合，氣孔減少，涂層的熱膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率、彈性模量、硬度等均增大，說明高溫?zé)崽幚砗髮?duì)涂層結(jié)構(gòu)與性能的影響顯著。

圖3 大氣等離子噴涂制備的Si/3Al2O3-2SiO2/Yb2SiO5環(huán)境障涂層裂紋形貌[18]：(a)表面形貌；(b)斷面形貌；(c)拋光后的截面形貌Fig.3 The crack morphology of the Si/3Al2O3-2SiO2/Yb2SiO5 EBCs deposited by APS:(a)surface morphology, (b)fracture morphology, (c)cross-sectional morphology

圖4 等離子噴涂物理氣相沉積制備的Si/3Al2O3-2SiO2/Yb2SiO5環(huán)境障涂層表面裂紋[14]Fig.4 The surface crack morphology of the Si/3Al2O3-2SiO2/Yb2SiO5EBCs deposited by PS-PVD

采用等離子物理氣相沉積制備的Si/3Al2O3-2SiO2/Yb2SiO5環(huán)境障涂層中，Yb2SiO5涂層有明顯的層狀結(jié)構(gòu)，涂層斷面不存在明顯的裂紋, 但有部分涂層表面存在少量的微裂紋如圖4所示，張小峰等人[14]認(rèn)為涂層裂紋的形成主要?dú)w因于涂層應(yīng)力的產(chǎn)生包括淬火應(yīng)力、冷卻應(yīng)力、相變應(yīng)力等，并通過“最鄰近原子相互作用模型”計(jì)算表面內(nèi)能及材料表面張力，驗(yàn)證了在噴涂過程中Yb2SiO5和3Al2O3-2SiO2涂層均比Si涂層更容易龜裂的原因。此外，由于涂層與基體、涂層與涂層之間熱膨脹系數(shù)不匹配，沉積時(shí)Yb2SiO5涂層受拉應(yīng)力，噴涂冷卻過程中產(chǎn)生的冷卻應(yīng)力，都是裂紋可能產(chǎn)生的原因。

4 Yb2SiO5稀土硅酸鹽環(huán)境障涂層抗高溫水蒸汽腐蝕性能及抗CMAS腐蝕性能

4.1 Yb2SiO5稀土硅酸鹽環(huán)境障涂層抗高溫水蒸汽腐蝕性能

美國(guó)Lee等人[9]以SiC/SiC和Si3N4為基體，采用大氣等離子體噴涂技術(shù)制備不同稀土硅酸鹽作為面層的RE2SiO5/莫來(lái)石/Si環(huán)境障涂層體系，研究1300-1400℃水蒸氣環(huán)境中涂層的水氧腐蝕行為，在90%H2O-10%O21380℃高溫水蒸氣環(huán)境中，Yb2SiO5體系具有良好的粘附性和化學(xué)兼容性，且裂紋的厚度比其他稀土硅酸鹽體系(Sc2Si2O7)窄，表現(xiàn)出良好的環(huán)境持久性。

朱濤等人[19]研究了采用大氣等離子噴涂制備的Si/3Al2O3-2SiO2/Yb2SiO5環(huán)境障涂層中在1400℃150h高溫水蒸氣腐蝕氛圍中涂層的相結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)與噴涂態(tài)相比，高溫腐蝕后的Yb2SiO5涂層內(nèi)非晶相發(fā)生晶化，Yb2O3相消失，涂層由單相Yb2SiO5組成，且其結(jié)構(gòu)較為致密，無(wú)腐蝕痕跡，涂層質(zhì)量幾乎無(wú)變化，說明Yb2SiO5涂層具有較優(yōu)的抗高溫水蒸氣腐蝕性能。根據(jù)Courcot等人[21,22]對(duì)稀土氧化物 RE2O3在高溫水蒸氣環(huán)境中的穩(wěn)定性的研究，溫度高于1200℃時(shí)，RE2O3易與水蒸氣反應(yīng)生成氣態(tài)物質(zhì) RE(OH)3，這可能是Yb2O3相消失的原因。

Richards等人[15-17,23]在SiC基體表面采用大氣等離子噴涂法制備的Si/3Al2O3-2SiO2/Yb2SiO5環(huán)境障涂層，并在1316℃，90%H2O-10%O2的高溫水蒸氣環(huán)境中腐蝕1h，再放入110℃環(huán)境冷卻10min進(jìn)行600次熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)，研究了Yb2SiO5環(huán)境障涂層在高溫水蒸氣腐蝕環(huán)境中的熱震性能，結(jié)果表明，在3Al2O3-2SiO2和Si層界面處，斷裂面位于熱生長(zhǎng)氧化物(TGO)內(nèi)，發(fā)生了部分剝離，剝離發(fā)生在試樣邊緣，氣體環(huán)境優(yōu)先氧化暴露的Si粘結(jié)層形成b-方晶石(SiO2)，同時(shí)氣體環(huán)境通過泥裂縫侵入，引發(fā)了局部b-方晶石(SiO2)的形成，其厚度在泥裂紋正下方最大。冷卻后，方晶石由b相轉(zhuǎn)變?yōu)閍相，體積收縮較大，收縮受限，導(dǎo)致TGO發(fā)生嚴(yán)重的微破裂，持續(xù)的熱循環(huán)最終導(dǎo)致裂紋的擴(kuò)展和涂層的部分剝落。在使用Si作為粘結(jié)層的涂層防護(hù)體系中，方晶石TGO的形成可能是涂層壽命的關(guān)鍵性因素。

4.2 Yb2SiO5稀土硅酸鹽環(huán)境障涂層抗CMAS腐蝕性能

在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，環(huán)境障涂層除了面臨水氧腐蝕外，許多熔融含硅沙塵和火山灰材料沉積在環(huán)境障涂層表面所引起的CMAS(calciummagnesium aluminosilicate)腐蝕是導(dǎo)致熱端部件性能下降的另一個(gè)主要原因[24]。熔融的CMAS與環(huán)境障涂層發(fā)生化學(xué)和機(jī)械作用，導(dǎo)致涂層過早失效。研究人員Yb2SiO5環(huán)境障涂層的CAMS失效機(jī)理的方面已經(jīng)做了大量的工作[25-27]，但環(huán)境障涂層的CMAS耐蝕性還有待提高。Xiaofeng Zhang等人[28]提出了“Al改性的環(huán)境障面層”方法可以選擇性的提高Si/3Al2O3-2SiO2/ Yb2SiO5環(huán)境障涂層的抗CMAS腐蝕性能，通過一系列的表征對(duì)比發(fā)現(xiàn)，未采用Al改性的Si/3Al2O3-2SiO2/Yb2SiO5環(huán)境障涂層表面Yb2SiO5顆粒已經(jīng)溶入到熔融狀態(tài)的CMAS氛圍中，而經(jīng)過Al改性的涂層中，CMAS與Yb2SiO5涂層之間存在明顯的界面。此外，未經(jīng)過改性的環(huán)境障涂層中溶解在CMAS中的Si元素的含量要高于經(jīng)過Al改性的涂層，且熱循環(huán)性能相對(duì)較差。這是因?yàn)镃MAS在高溫條件下會(huì)溶解Yb2SiO5形成新的晶相，侵蝕硅酸鹽晶界，形成廣泛的低熔點(diǎn)共晶相，導(dǎo)致晶界衰退[29-30]，而經(jīng)過Al改性后的涂層，在Yb2SiO5面層上形成了Al2O3覆蓋層，可以有效阻礙熔融CMAS的擴(kuò)散。因此，Al改性的Si/3Al2O3-2SiO2/Yb2SiO5環(huán)境障涂層抗CMAS腐蝕性能更為優(yōu)異。

5 結(jié)論

本文重點(diǎn)論述了稀土硅酸鹽Yb2SiO5環(huán)境障涂層的制備方法、涂層形貌、相結(jié)構(gòu)影響以及裂紋機(jī)制、抗高溫水蒸氣腐蝕及抗CMAS腐蝕性能的研究進(jìn)展。

(1) 以Yb2SiO5為代表的稀土硅酸鹽體系是環(huán)境障涂層最受關(guān)注的材料，同時(shí)，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。

(2) 以稀土硅酸鹽為面層設(shè)計(jì)材料獲得可在1400℃以上更高溫度環(huán)境中使用的環(huán)境障涂層，還需考慮中間層材料體系何中間層材料與稀土硅酸鹽體系在高溫環(huán)境中良好的化學(xué)相容性，以及能否減緩氧化物向Si粘結(jié)層的擴(kuò)散等。

(3) 系統(tǒng)、深入地研究稀土硅酸鹽涂層中相結(jié)構(gòu)的變化對(duì)涂層微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)、熱學(xué)性能、高溫結(jié)構(gòu)演變的影響，模擬涂層的實(shí)際復(fù)雜的使用工況，結(jié)合涂層理論研究，對(duì)于涂層性能優(yōu)化和評(píng)價(jià)具有重要意義。而對(duì)于環(huán)境障涂層體系，亟待開展涂層選材設(shè)計(jì)、先進(jìn)制造工藝和近服役性能評(píng)價(jià)的全鏈條布局規(guī)劃。