1、背景介紹

隨著先進(jìn)渦輪發(fā)動機(jī)的不斷發(fā)展，渦輪入口溫度（TIT）已提升至1600°C以上，這對開發(fā)新一代高溫結(jié)構(gòu)材料提出了迫切需求。定向凝固共晶陶瓷（DSEC）在高溫氧化環(huán)境中表現(xiàn)出優(yōu)異的熱化學(xué)穩(wěn)定性，并具有保持高溫強(qiáng)度和抗蠕變能力的顯著特性。定向凝固Al2O3/YAG共晶陶瓷因其在高溫下優(yōu)異的力學(xué)性能，被認(rèn)為是未來燃?xì)獍l(fā)動機(jī)熱端部件（如燃燒室襯里、噴嘴和環(huán)境屏障涂層）的理想材料。然而，發(fā)動機(jī)熱端部件不僅需要具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能，還要經(jīng)受極端燃燒環(huán)境下的長期耐腐蝕考驗(yàn)，特別是高溫下空氣中的硅酸鹽顆粒（如飛灰、沙漠沙、火山灰和跑道碎片）會導(dǎo)致嚴(yán)重的鈣鎂鋁硅酸鹽（CMAS）腐蝕，從而對渦輪造成重大損害。因此，評估定向凝固Al2O3/YAG共晶陶瓷的高溫抗CMAS腐蝕特性對于高溫渦輪部件的材料選擇至關(guān)重要。

2、成果簡介

近日，西北工業(yè)大學(xué)蘇海軍教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了定向凝固Al2O3/YAG共晶陶瓷在1300-1500℃高溫下的耐CMAS腐蝕特性及機(jī)理。通過Czochralski技術(shù)制備了定向凝固Al2O3/YAG共晶陶瓷，并在1300°C-1500°C的高溫下研究了其CMAS腐蝕抗性。結(jié)果表明，在1300°C下腐蝕100小時后未觀察到腐蝕痕跡；在1400°C和1500°C下腐蝕50小時后，腐蝕深度分別為306 μm和316 μm，但腐蝕速率并未顯著提高。腐蝕抗性歸因于穩(wěn)定的相界面抑制CMAS滲透、元素?cái)U(kuò)散調(diào)節(jié)CMAS腐蝕活性以及形成連續(xù)致密的石榴石層。相關(guān)工作以題為“CMAS corrosion resistance and mechanism of directionally solidified Al2O3/YAG eutectic ceramics at high temperatures of 1300–1500 ℃”的研究論文發(fā)表在Corrosion Science, 2025, 248: 112793上。

論文連接：

https://doi.org/10.1016/j.corsci.2025.112793

3.圖文解析

• 腐蝕產(chǎn)物與相組成演變

如圖1所示，在不同溫度不同腐蝕時間下，CMAS腐蝕的Al2O3/YAG共晶陶瓷表面生成了四種不同形貌和對比度的新相。首先通過XRD及EDS對生成的新相進(jìn)行初步成分判定，再通過圖2和圖3的TEM分析，確定生成的新相分別為石榴石（YAG）、尖晶石（MgAl2O4）和鈣長石（CaAl2Si2O8）相。

圖1 （a1-a4）1300 ℃，（b1-b4）1400 ℃，（c1-c4）1500 ℃條件下CMAS腐蝕（a1-c1）4 h，（a2-c2）16 h，（a3-c3）50 h，（a4-c4）100 h后Al2O3/YAG共晶陶瓷表面的掃描電鏡圖像

圖 2 B、C相的TEM分析：(a) CMAS與B和C相的交界處的HAADF圖像，(b) a 圖的元素組成圖及EDS數(shù)據(jù)，(c-e) CMAS、B、C各相的衍射斑點(diǎn)，(f) 三相的傅里葉變換典型高分辨率TEM圖

圖3 A相的TEM分析：(a) CMAS與A相的交界處的HAADF圖像，(b) (a)的元素組成圖及EDS數(shù)據(jù)，(c-d)A相和CMAS的衍射斑點(diǎn)，(e) 兩相的傅里葉變換典型高分辨率TEM圖像

• 腐蝕動力學(xué)與界面行為

圖4展示了1300°C條件下腐蝕100小時后試樣橫截面的微觀形貌，未觀察到明顯的腐蝕痕跡，界面處僅形成薄層Mg富集區(qū)，腐蝕深度（83 μm）和速率（0.16 μm/h）極低。

圖 4 1300 ℃不同時間CMAS腐蝕橫截面：(a1) 4 h，(a2) 16 h，(a3) 50 h，(a4) 100 h CMAS腐蝕后的腐蝕深度；(b1) 4 h，(b2) 16 h，(b3) 50 h，(b4) 100 h CMAS腐蝕后橫截面的掃描電鏡圖像；(c) 100 h CMAS 腐蝕后橫截面的EDS圖

圖5展示了1400°C條件下腐蝕100小時后試樣橫截面的微觀形貌，腐蝕50小時后腐蝕深度達(dá)160 μm，界面處形成連續(xù)的石榴石層（厚度150 μm），顯著抑制了CMAS滲透。

圖5 1400 ℃不同時間CMAS腐蝕橫截面：(a1) 4 h，(a2) 16 h，(a3) 50 h，(a4) 100 h CMAS腐蝕后的腐蝕深度；(b1) 4 h，(b2) 16 h，(b3) 50 h，(b4) 100 h CMAS腐蝕后橫截面的掃描電鏡圖像；(c) 100 h CMAS 腐蝕后橫截面的EDS圖

圖6展示了1500°C條件下腐蝕100小時后試樣橫截面的微觀形貌，腐蝕50小時后腐蝕深度為265 μm，但腐蝕速率（1.38 μm/h）未顯著升高，因高溫下生成的致密石榴石層（厚度150 μm）通過固溶CMAS中的Ca2?、Mg2?和Si??，進(jìn)一步降低了熔鹽活性。

圖6 1500 ℃不同時間CMAS腐蝕橫截面：(a1) 4 h，(a2) 16 h，(a3) 50 h，(a4) 100 h CMAS腐蝕后的腐蝕深度；(b1) 4 h，(b2) 16 h，(b3) 50 h，(b4) 100 h CMAS腐蝕后橫截面的掃描電鏡圖像；(c1-c2) 反應(yīng)層局部放大圖；(d) 具有不同對比度的石榴石相；(e) 100 h腐蝕后橫截面的EDS

圖7展示了腐蝕界面的物相分析，Al和Y的擴(kuò)散主導(dǎo)腐蝕過程。Al從基體溶出進(jìn)入CMAS，促進(jìn)尖晶石和鈣長石析出；Y的擴(kuò)散則推動石榴石層生長。隨溫度升高，元素?cái)U(kuò)散速率加快，但高溫（1500°C）下石榴石層快速形成，反而抑制了腐蝕速率。石榴石層與尖晶石相共同構(gòu)成致密屏障，有效阻止Ca、Mg、Si等腐蝕元素向基體擴(kuò)散。EDS顯示，腐蝕后基體內(nèi)部未檢測到上述元素。

• 抗腐蝕機(jī)理

Al2O3/YAG共晶陶瓷的優(yōu)異抗CMAS性能源于以下協(xié)同作用：（1）化學(xué)惰性：通過光學(xué)堿度（OB）計(jì)算，Al2O3/YAG（OB=0.64）與CMAS（OB=0.66）化學(xué)活性相近，反應(yīng)傾向低。（2）相界面穩(wěn)定性：Al2O3與YAG的共格界面無晶界缺陷，阻斷了CMAS沿晶界滲透路徑。（3）動態(tài)保護(hù)層：腐蝕過程中，YAG與CMAS反應(yīng)生成含Ca、Mg、Si的固溶石榴石層，其連續(xù)性和致密度隨溫度升高而增強(qiáng)，成為長效擴(kuò)散屏障。

圖7反應(yīng)層的TEM分析：(a) 反應(yīng)層具有代表性的黑白灰三相的HAADF圖像，(b) (a)的元素組成圖及EDS數(shù)據(jù)，(c) 界面2處的局部放大圖，(c1) (c)的元素組成及EDS數(shù)據(jù)，(c2)界面2的衍射斑點(diǎn)，(c3) 的傅里葉變換典型高分辨率TEM圖像，(c4) 的一維傅里葉濾波圖像，(c5) 的一維傅里葉濾波圖像，(c6) 的傅里葉變換典型高分辨率TEM圖像，(d-e) 界面1和3的傅里葉變換典型高分辨率TEM圖像，(e1) (e)的衍射斑點(diǎn)，(f) 界面4的傅里葉變換典型高分辨率TEM圖像

• 對比與優(yōu)勢

圖8是最近報(bào)道的 CMAS 耐腐蝕材料在特定溫度和時間下腐蝕深度的代表性結(jié)果匯總。與文獻(xiàn)報(bào)道的同類材料相比，Al2O3/YAG共晶陶瓷在1300°C（100 h）和1400°C（100 h）下的腐蝕深度分別為83 μm和160 μm，1500°C（50 h）下為316 μm，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)涂層和單相材料。

圖8 抗CMAS腐蝕材料在特定溫度和時間下腐蝕深度的代表性結(jié)果對比

4、結(jié)論與展望

本文探究了Al2O3/YAG共晶陶瓷經(jīng)1300 °C-1500 °C 高溫CMAS熔鹽腐蝕前后物相組成、微觀組織形貌的演變過程，通過建立微觀組織結(jié)構(gòu)與腐蝕性能之間的關(guān)系，揭示了Al2O3/YAG共晶陶瓷與CMAS熔鹽在不同溫度和時間條件下的反應(yīng)機(jī)制和腐蝕機(jī)理。Al2O3/YAG共晶陶瓷以其優(yōu)異的抗腐蝕性能和多重保護(hù)機(jī)制，展現(xiàn)了作為下一代超高溫結(jié)構(gòu)材料的巨大潛力，極端高溫環(huán)境下航空發(fā)動機(jī)熱端部件的研制提供了長壽命解決方案。

5、通訊作者簡介

蘇海軍，西北工業(yè)大學(xué)長聘二級教授、博士生導(dǎo)師。國家級領(lǐng)軍人才，國家優(yōu)青，中國有色金屬創(chuàng)新爭先計(jì)劃獲得者。入選國家首批“香江學(xué)者”計(jì)劃、陜西省“青年科技新星”、陜西省冶金青年科技標(biāo)兵、陜西省金屬學(xué)會優(yōu)秀科技工作者。擔(dān)任陜西高校青年創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)學(xué)術(shù)帶頭人、陜西重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)帶頭人和先進(jìn)高溫合金陜西省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任。長期從事先進(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、超高溫復(fù)合陶瓷、生物陶瓷、鈣鈦礦太陽能電池、結(jié)構(gòu)功能一體化復(fù)合材料以及定向凝固與增材制造技術(shù)等。主持包括國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目，國家自然基金重點(diǎn)、優(yōu)青等7項(xiàng)國家基金在內(nèi)的30余項(xiàng)國家級重要科研項(xiàng)目，在Nano Energy，Advanced Functional Materials，Nano Letters，Composites part B: engineering，Additive manufacturing等知名期刊發(fā)表論文200余篇。獲授權(quán)中國發(fā)明專利60余項(xiàng)以及3項(xiàng)美國發(fā)明專利。參編專著3部。獲陜西省科學(xué)技術(shù)一等獎、二等獎，中國交通運(yùn)輸協(xié)會科學(xué)技術(shù)二等獎，寧波市科技進(jìn)步一等獎，陜西高�？茖W(xué)技術(shù)研究優(yōu)秀成果特等獎，陜西省冶金科學(xué)技術(shù)一等獎，全國有色金屬優(yōu)秀青年科技獎和陜西青年科技獎各1項(xiàng)。

本文來自“材料科學(xué)與工程”公眾號，感謝作者團(tuán)隊(duì)支持。