西工大蘇海軍團隊《JMST》：氧化物共晶陶瓷抗腐蝕重要進展
2023-06-30 16:57:58
作者：材料基 來源：材料基
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現代渦輪發動機高溫(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)，將導致嚴重的CaO-MgO-Al2O3-SiO2(CMAS)腐蝕，極大影響發動機苛刻環境服役時間。為了延長發動機的使用壽命，人們一直致力于開發防護涂層以保護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與涂層會發生強烈的熱化學反應，嚴重降低涂層的耐應變性，進一步引起應力積累并導致最終失效。氧化鋁基共晶自生復合陶瓷是利用凝固過程中基體相和第二相的共晶反應形成的原位自生復合材料，具有優異的高溫力學性能、組織穩定性和化學穩定性。此外，該材料成分和致密微觀結構在抵抗熔融CMAS滲透方面具有固有的優勢。本文直接采用定向凝固技術制備的Al2O3/YAG共晶陶瓷作為結構基底，以獲得理想的CMAS耐腐蝕性。重點研究了Al2O3/YAG共晶陶瓷在CMAS攻擊下的腐蝕行為和腐蝕機理，從而獲得綜合性能優異、能夠在高溫腐蝕環境中長期服役的超高溫結構材料。近日，西北工業大學蘇海軍教授團隊報道了不同高溫腐蝕時間內Al2O3/YAG共晶陶瓷在CMAS攻擊下的腐蝕行為和腐蝕機理。論文闡明了腐蝕產物成分、組織形態以及腐蝕厚度隨時間的演變規律，揭示了Al2O3/YAG共晶陶瓷的抗CMAS腐蝕機理。相關工作以題為“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反應后腐蝕產物相組成圖2：1300°C下Al2O3/YAG共晶陶瓷表面的SEM圖：(a-e)凝固樣品；(a1-e1)燒結樣品；(b2-e2)腐蝕層反應厚度見(f)；(f)腐蝕過程和腐蝕產物示意圖；(g)析出相尺寸統計圖3：(a)凝固樣品的SEM圖像和(a1)對應圖(a)中的黃色虛線框區域的EDS圖；燒結樣品的(b)SEM圖像和其相應的(b1)EDS圖掃描結果；(b2)圖(b)中三點的EDS點掃描結果在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是一種無定形玻璃相，并在反應產物中檢測到少量的鈣長石相(CaAl2Si2O8)。在Al2O3/YAG共晶表面，CMAS熔體與共晶基底發生強烈的熱化學反應，形成了較薄的反應層(圖2)。共晶基質的原始多相微結構(密度>98.9%)被溶解成分離的碎片。基底與CMAS熔體反應，沉淀生成新的條帶狀相，并與碎片連接形成一個熱化學反應區。特別是隨著腐蝕時間的增加，反應層逐漸增厚(圖2(b2−e2))。雖然CMAS腐蝕32 h的反應層厚度比腐蝕2 h的反應層厚度高4−6倍，但仍小于63.61 μm，遠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，而沒有持續向下穿透。此外，Mg元素在氧化鋁相頂部富集，而燒結的共晶基底顯示，與Ca和Si元素相比，Mg元素繼續向下穿透一定的距離，如圖3(b1)所示。根據圖3(b2)的重量百分比，點1趨于CaAl2Si2O8相，點2趨于MgAl2O4相，點3為Al2O3相。圖4：滲透CMAS的凝固樣品腐蝕層的(a)HAADF圖像；(b)四個區域的元素分布圖；(c-e)分別用矩形框架標記的三個界面以及YAG、CMAS和CaAl2Si2O8相的衍射斑點通過對各相的成分分析(圖4(b))，將#1、#4的相確定為CaAl2Si2O8和YAG相。區域#2和#3是兩個相互滲透的區域，在YAG和CMAS的薄界面(#3區)，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，三種界面和SAED圖像(圖4(c))顯示，#1−#4區域分別為鈣長石(CaAl2Si2O8)、CMAS和YAG。區域#3是中間區域擴散過渡層，在該區域中保留了YAG相的晶格結構，但可以檢測到Mg、Si和Ca的其他元素，且晶面間距呈減小的趨勢。同時，在#2區域的非晶相中也檢測到了Y元素，這進一步證實了YAG的溶解與Y元素的擴散和遷移有關。總的來說，溶解-再沉淀是定向凝固Al2O3/YAG共晶陶瓷抗CMAS腐蝕的主要機制。綜上所述，本研究對比了凝固和燒結的Al2O3/YAG共晶陶瓷優異的抗CMAS腐蝕性能。實驗和理論計算表明，定向凝固Al2O3/YAG共晶陶瓷由于其致密的無晶界三維網絡結構、化學活性低、高結晶誘導性，因而具有優異的抗CMAS腐蝕性能。Al2O3/YAG共晶陶瓷的Al/Y元素溶解到CMAS中，促進了鈣長石(CaAl2Si2O8)相的形成，沉淀后形成致密的反應層，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境用新型抗腐蝕高溫熱結構材料提供了理論基礎和技術途徑。蘇海軍，西北工業大學材料學院教授、博士生導師，材料學院副院長。國家優秀青年科學基金獲得者，中國有色金屬創新爭先計劃獲得者，入選國家首批“香江學者”計劃，陜西省“青年科技新星”、陜西高校青年創新團隊學術帶頭人和陜西重點科技創新團隊帶頭人。長期從事先進定向凝固技術與理論及新材料研究，涉及高溫合金、高熵合金、超高溫陶瓷、結構功能一體化復合材料、生物陶瓷、鈣鈦礦太陽電池，以及陶瓷和高溫合金激光增材制造等。主持包括國家自然基金重點、優青等6項國家基金在內的30余項國家及省部級重要科研項目，發表SCI論文160余篇。獲授權中國發明專利51項以及2項美國發明專利。參編專著3部。獲陜西高?？茖W技術研究優秀成果特等獎、陜西省科學技術一等獎、陜西省冶金科學技術一等獎、全國有色金屬優秀青年科技獎和陜西青年科技獎各1項。
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