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航空發動機環境障涂層：材料及性能

為滿足新一代高推重比航空發動機對1400℃以上服役溫度的需求，傳統鎳基高溫合金已接近極限，因此亟需尋找替代材料；硅基非氧化物陶瓷（如SiC、Si?N?及其復合材料）因其優異的高溫力學性能成為理想候選材料，但在發動機燃氣環境中……

2026-05-07

研究背景

為滿足新一代高推重比航空發動機對1400℃以上服役溫度的需求，傳統鎳基高溫合金已接近極限，因此亟需尋找替代材料；硅基非氧化物陶瓷(如SiC、Si?N?及其復合材料)因其優異的高溫力學性能成為理想候選材料，但在發動機燃氣環境中，水蒸氣會與硅基陶瓷反應生成揮發性的Si(OH)?，導致材料失重、性能退化甚至失效。為解決這一問題，必須在硅基陶瓷表面制備環境降涂層（EBCs），作為阻擋水蒸氣腐蝕的屏障，從而保障硅基陶瓷在航空發動機熱端部件上的可靠應用。

傳統環境障涂層及失效機制

1.莫來石（Mullite，3Al?O?·2SiO?）涂層

改進：采用加熱基體+等離子噴涂制備完全結晶莫來石，抗裂性顯著提高。

進一步改進：添加YSZ（Y?O?穩定的ZrO?）面層，抑制SiO?揮發，但YSZ與莫來石熱膨脹系數不匹配，導致界面裂紋。

2.莫來石+ BSAS?多層涂層

1)結構：Si粘結層?+?莫來石/莫來石+BSAS中間層?+ BSAS面層。

2)優勢：

??BSAS（BaO-SrO-Al?O?-SiO?）熱膨脹系數與莫來石匹配好。

? 抗裂性顯著提升，耐久性達1000小時（1300°C）。

3)失效機制：

? BSAS在≥1300°C時揮發，尤其在高速燃氣環境中。

? Si粘結層氧化生成SiO?，與BSAS反應生成低熔點玻璃相，被燃氣吹走。

? CMAS（鈣鎂鋁硅酸鹽）污染物熔融后侵蝕涂層。

4)結論：第二代EBCs最高使用溫度受限(約1300°C)，無法滿足1400°C以上需求。

新型環境障涂層：稀土硅酸鹽

主要研究進展

1.?抗氧化性能

Er?SiO?涂層（范金娟等）：1350°C氧化動力學符合對數規律，長期穩定。

Yb?SiO?涂層（賀世美等）：1400°C下80小時開始失重，失效原因為Ba/Al元素擴散、涂層燒結收縮及熱應力。

2.?抗水氧腐蝕性能

Lu?Si?O?多層涂層（Ueno等）：1300°C蒸汽中500小時保持穩定，表面出現氣孔（SiO?揮發）。

Yb?Si?O?涂層（Richards等）：1316°C蒸汽循環2000小時，TGO層僅2.5μm，耐久性優異。

北京理工大學研究：

單層Y?SiO?涂層：123小時剝落。

Si/Y?SiO?雙層涂層：壽命延長至205小時（提高近2倍）。

3.?抗CMAS侵蝕性能

Yb?SiO? vs Yb?Si?O?（Stolzenburg等）：

? Yb?SiO?與CMAS強烈反應，生成磷灰石相。

? Yb?Si?O?在96小時內無明顯反應，抗CMAS性能更優。

??RE?Si?O?系列(Liu等)：

? Sc?Si?O?和Y?Si?O?可在界面形成反應區，阻止CMAS滲透。

? 其他稀土（Yb、Lu、La等）的反應區易溶解脫落。

研究結果

1)環境降涂層的三大關鍵要求：熱膨脹匹配、化學相容性、結構穩定性。

2)稀土硅酸鹽（RE?SiO? / RE?Si?O?）是目前最有前景的下一代EBCs材料體系。

3)未來研究重點：多因素耦合（熱力化）環境下的長期穩定性、CMAS防護、涂層結構優化。

中環電爐設備

高溫靜態/高速水氧腐蝕設備利用實驗室測試方法,準確模擬渦輪發動機工作環境的高溫、高水蒸氣分壓和水蒸氣速度，針對材料的熱腐蝕、水蒸氣氧化腐蝕進行循環測試，以正確評估材料的熱化學穩定性。其中高速水氧腐蝕設備的水蒸氣流速可高達150m/s。主要由進氣控制系統、進液控制系統、均勻汽化裝置、伴熱管路及加熱反應器等部分組成。主要適用于高溫熱障涂層、復合材料，合金等領域。