沈阳工业大学材料学院发表腐蚀顶刊：高熵陶瓷的微结构设计！

2021-08-24 14:59:57 作者：材料学网来源：材料学网分享至：

导读：本文设计并制备出一种高温稳定性好、耐CMAS腐蚀的高熵二硅酸盐（4RE0.25）2Si2O7 （RE=Y，Yb，Er和Sc）陶瓷材料。采用溶胶-凝胶法制备了高熵（4RE0.25）2Si2O7粉体，并将少量Y-Si-Al-O玻璃粉体加入该粉体中，再通过无压烧结制备出块体高熵（4RE0.25）2Si2O7陶瓷材料。在该陶瓷材料中，少量Y-Si-Al-O玻璃能够均匀填充在（4RE0.25）2Si2O7晶粒的晶界处。与RE2Si2O7 （RE = Y和Er）相比，该陶瓷材料在1600℃保温15 h晶粒尺寸几乎没有变化，具有良好的高温稳定性。此外，在熔融低熔点氧化物CaO-MgO-Al2O3-SiO2 （CMAS）腐蚀过程中，在晶界处的Y-Si-Al-O玻璃相能起到阻挡层的作用，抑制Ca2+扩散，缓解熔融CMAS对（4RE0.25）2Si2O7晶粒的侵蚀，从而使（4RE0.25）2Si2O7陶瓷材料表现出较好的抗熔融CMAS腐蚀能力。在1500℃，腐蚀48 h后，（4RE0.25）2Si2O7陶瓷材料的腐蚀层厚度仅为73 μm。

SiC基陶瓷复合材料由于具有重量轻、比强度和模量高、抗高温氧化和蠕变等优异性能，被认为是高推重比航空发动机高温部件的候选材料。然而，在高流速水蒸气的燃烧环境中，SiC陶瓷会与高温水汽生成单硅酸Si（OH）4气体，使高温部件表面不断地被冲刷和侵蚀，这就极大地降低了陶瓷部件的使用寿命和稳定性。因此，需要在SiC基复合材料表面制备一层环境障涂层提高耐高温腐蚀能力。稀土硅酸盐陶瓷以其良好的相稳定性和抗高温水汽腐蚀能力，成为了目前SiC基复合材料表面环境障涂层的热门材料。但是，传统的稀土硅酸盐陶瓷在长时间高温环境中，结构稳定性差，容易产生裂纹。与此同时，在沙漠或火山附近，沙子或者火山灰常常会被吸入飞机发动机内，而该类物质熔点较低，会在叶片等热结构部件表面熔融，从而不断与表面稀土硅酸盐涂层发生反应而导致涂层的失效。因此，有必要设计出一种具有高温稳定、耐熔融CMAS腐蚀的稀土硅酸盐陶瓷涂层材料，以满足高温陶瓷部件在极端环境下稳定使用的要求。

最近，沈阳工业大学材料学院王占杰团队设计并制备出一种高温稳定性好、耐CMAS腐蚀的高熵二硅酸盐（4RE0.25）2Si2O7 （RE=Y，Yb，Er和Sc）陶瓷材料。首先，采用溶胶-凝胶法制备出高熵二硅酸盐（4RE0.25）2Si2O7粉体，然后将少量Y-Si-Al-O玻璃粉体加入该粉体中，再通过无压烧结制备出块体高熵（4RE0.25）2Si2O7陶瓷材料。在高熵（4RE0.25）2Si2O7陶瓷材料结构中，少量Y-Si-Al-O玻璃相处于晶界处，形成玻璃层将高熵（4RE0.25）2Si2O7陶瓷晶粒包裹其中。一方面，基于高熵陶瓷相和结构稳定的特点，使得该高熵陶瓷材料能够保持良好的高温稳定性。与RE2Si2O7 （RE = Y和Er）相比，该陶瓷材料在1600℃保温15 h后，其相结构和晶粒尺寸几乎没有变化，表现出良好的高温稳定性。另一方面，在熔融CMAS腐蚀过程中，熔盐中的Ca2+离子必须穿过Y-Si-Al-O玻璃层，才能侵蚀（4RE0.25）2Si2O7晶粒。而包裹在晶粒表面的Y-Si-Al-O玻璃层能起到阻挡层的作用，抑制Ca2+扩散，缓解熔融CMAS对（4RE0.25）2Si2O7晶粒的侵蚀，从而提高了（4RE0.25）2Si2O7陶瓷材料的抗熔融CMAS腐蚀能力。结果表明：在1500℃，腐蚀48 h后，该高熵（4RE0.25）2Si2O7陶瓷材料的腐蚀层厚度仅为73 μm。相关研究结果以题为“Preparation and corrosion resistance of high-entropy disilicate （Y0.25Yb0.25Er0.25Sc0.25）2Si2O7 ceramics”发表在国际腐蚀顶刊Corrosion Science上。材料学院硕士研究生王旭为第一作者，王超副教授和吴玉胜教授为本文的共同通讯作者。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.corsci.2021.109786