学术动态-苏海军团队Corrosion Science:定向凝固Al2O3/YAG共晶陶瓷在1300-1500℃耐CMAS腐蚀特性

研究背景

随着先进涡轮发动机的不断发展，涡轮入口温度（TIT）已提升至1600°C以上，这对开发新一代高温结构材料提出了迫切需求。定向凝固共晶陶瓷（DSEC）在高温氧化环境中表现出优异的热化学稳定性，并具有保持高温强度和抗蠕变能力的显著特性。定向凝固Al₂O₃/YAG共晶陶瓷因其在高温下优异的力学性能，被认为是未来燃气发动机热端部件（如燃烧室衬里、喷嘴和环境屏障涂层）的理想材料。然而，发动机热端部件不仅需要具有优异的高温力学性能，还要经受极端燃烧环境下的长期耐腐蚀考验，特别是高温下空气中的硅酸盐颗粒（如飞灰、沙漠沙、火山灰和跑道碎片）会导致严重的钙镁铝硅酸盐（CMAS）腐蚀，从而对涡轮造成重大损害。因此，评估定向凝固Al₂O₃/YAG共晶陶瓷的高温抗CMAS腐蚀特性对于高温涡轮部件的材料选择至关重要。

成果简介

近日，西北工业大学苏海军教授团队报道了定向凝固Al₂O₃/YAG共晶陶瓷在1300-1500℃高温下的耐CMAS腐蚀特性及机理。通过Czochralski技术制备了定向凝固Al₂O₃/YAG共晶陶瓷，并在1300°C-1500°C的高温下研究了其CMAS腐蚀抗性。结果表明，在1300°C下腐蚀100小时后未观察到腐蚀痕迹；在1400°C和1500°C下腐蚀50小时后，腐蚀深度分别为306 μm和316 μm，但腐蚀速率并未显著提高。腐蚀抗性归因于稳定的相界面抑制CMAS渗透、元素扩散调节CMAS腐蚀活性以及形成连续致密的石榴石层。

相关工作以题为“CMAS corrosion resistance and mechanism of directionally solidified Al₂O₃/YAG eutectic ceramics at high temperatures of 1300–1500℃”的研究论文发表在Corrosion Science上。西北工业大学凝固技术全国重点实验室苏海军教授为通讯作者，研究生谭雪为第一作者。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.corsci.2025.112793

图文导读

• 腐蚀产物与相组成演变

如图1所示，在不同温度不同腐蚀时间下，CMAS腐蚀的Al₂O₃/YAG共晶陶瓷表面生成了四种不同形貌和对比度的新相。首先通过XRD及EDS对生成的新相进行初步成分判定，再通过图2和图3的TEM分析，确定生成的新相分别为石榴石（YAG）、尖晶石（MgAl₂O₄）和钙长石（CaAl₂Si₂O₈）相。

图1 (a1-a4)1300℃,(b1-b4)1400℃,(c1-c4)1500℃条件下CMAS腐蚀(a1-c1)4h,(a2-c2)16h,(a3-c3)50h,(a4-c4)100h后Al₂O₃/YAG共晶陶瓷表面的扫描电镜图像.

图 2 B、C相的TEM分析:(a) CMAS与B和C相的交界处的HAADF图像,(b) a 图的元素组成图及EDS数据,(c-e) CMAS、B、C各相的衍射斑点,(f) 三相的傅里叶变换典型高分辨率TEM图.

图3. 溶质元素的偏析.

图3 A相的TEM分析:(a) CMAS与A相的交界处的HAADF图像,(b) (a)的元素组成图及EDS数据,(c-d)A相和CMAS的衍射斑点,(e) 两相的傅里叶变换典型高分辨率TEM图像.

• 腐蚀动力学与界面行为

图4展示了1300°C条件下腐蚀100小时后试样横截面的微观形貌，未观察到明显的腐蚀痕迹，界面处仅形成薄层Mg富集区，腐蚀深度（83μm）和速率（0.16μm/h）极低。

图4 1300℃不同时间CMAS腐蚀横截面:(a1)4h,(a2)16h,(a3)50h,(a4)100h CMAS腐蚀后的腐蚀深度;(b1)4h,(b2)16h,(b3)50h,(b4)100h CMAS腐蚀后横截面的扫描电镜图像；(c)100h CMAS 腐蚀后横截面的EDS图.

图5展示了1400°C条件下腐蚀100小时后试样横截面的微观形貌，腐蚀50小时后腐蚀深度达160 μm，界面处形成连续的石榴石层（厚度150 μm），显著抑制了CMAS渗透。

图5 1400 ℃不同时间CMAS腐蚀横截面:(a1)4h,(a2)16h,(a3)50h,(a4)100h CMAS腐蚀后的腐蚀深度;(b1)4h,(b2)16h,(b3)50h,(b4)100h CMAS腐蚀后横截面的扫描电镜图像;(c)100h CMAS 腐蚀后横截面的EDS图.

图6 展示了1500°C条件下腐蚀100小时后试样横截面的微观形貌，腐蚀50小时后腐蚀深度为265μm，但腐蚀速率（1.38μm/h）未显著升高，因高温下生成的致密石榴石层（厚度150μm）通过固溶CMAS中的Ca²⁺、Mg²⁺和Si⁴⁺，进一步降低了熔盐活性。

图6 1500℃不同时间CMAS腐蚀横截面:(a1)4h,(a2)16h,(a3)50h,(a4)100h CMAS腐蚀后的腐蚀深度;(b1)4h,(b2)16h,(b3)50h,(b4)100h CMAS腐蚀后横截面的扫描电镜图像;(c1-c2)反应层局部放大图;(d)具有不同对比度的石榴石相;(e)100h腐蚀后横截面的EDS

• 抗腐蚀机理

Al₂O₃/YAG共晶陶瓷的优异抗CMAS性能源于以下协同作用：（1）化学惰性：通过光学碱度（OB）计算，Al₂O₃/YAG（OB=0.64）与CMAS（OB=0.66）化学活性相近，反应倾向低。（2）相界面稳定性：Al₂O₃与YAG的共格界面无晶界缺陷，阻断了CMAS沿晶界渗透路径。（3）动态保护层：腐蚀过程中，YAG与CMAS反应生成含Ca、Mg、Si的固溶石榴石层，其连续性和致密度随温度升高而增强，成为长效扩散屏障。

图7 展示了腐蚀界面的物相分析，Al和Y的扩散主导腐蚀过程。Al从基体溶出进入CMAS，促进尖晶石和钙长石析出；Y的扩散则推动石榴石层生长。随温度升高，元素扩散速率加快，但高温（1500°C）下石榴石层快速形成，反而抑制了腐蚀速率。石榴石层与尖晶石相共同构成致密屏障，有效阻止Ca、Mg、Si等腐蚀元素向基体扩散。EDS显示，腐蚀后基体内部未检测到上述元素。

图7反应层的TEM分析:(a) 反应层具有代表性的黑白灰三相的HAADF图像，(b) (a)的元素组成图及EDS数据，(c) 界面2处的局部放大图，(c1) (c)的元素组成及EDS数据，(c2)界面2的衍射斑点，(c3)#5的一维傅里叶变换典型高分辨率TEM图像，(c4) #5的一维傅里滤波图像，(c5) #6的一维傅里叶滤波图像，(c6)#6的一维傅里叶变换典型高分辨率TEM图像，(d-e) 界面1和3的傅里叶变换典型高分辨率TEM图像，(e1) (e)的衍射斑点，(f) 界面4的傅里叶变换典型高分辨率TEM图像.

• 对比与优势

图8是最近报道的 CMAS 耐腐蚀材料在特定温度和时间下腐蚀深度的代表性结果汇总。与文献报道的同类材料相比，Al₂O₃/YAG共晶陶瓷在1300°C（100 h）和1400°C（100 h）下的腐蚀深度分别为83 μm和160 μm，1500°C（50 h）下为316 μm，显著优于传统涂层和单相材料。

图8 抗CMAS腐蚀材料在特定温度和时间下腐蚀深度的代表性结果对比.

总 结

本文探究了Al₂O₃/YAG共晶陶瓷经1300°C-1500°C 高温CMAS熔盐腐蚀前后物相组成、微观组织形貌的演变过程，通过建立微观组织结构与腐蚀性能之间的关系，揭示了Al₂O₃/YAG共晶陶瓷与CMAS熔盐在不同温度和时间条件下的反应机制和腐蚀机理。Al₂O₃/YAG共晶陶瓷以其优异的抗腐蚀性能和多重保护机制，展现了作为下一代超高温结构材料的巨大潜力，极端高温环境下航空发动机热端部件的研制提供了长寿命解决方案。

通讯作者简介

◼ 苏海军 教授

西北工业大学教授、博士生导师。国家级领军人才，国家优秀青年科学基金获得者，中国有色金属创新争先计划获得者。入选国家首批“香江学者”计划、陕西省“青年科技新星”、陕西省冶金青年科技标兵、陕西省金属学会优秀科技工作者，担任陕西高校青年创新团队学术带头人、陕西重点科技创新团队带头人和先进高温合金陕西省高校重点实验室主任。长期从事先进定向凝固技术与理论及新材料研究，涉及高温合金、超高温复合陶瓷、半导体复合材料、有机薄膜太阳能电池、生物医用陶瓷材料，以及定向凝固和激光增材制造技术与理论等。主持国家重点研发计划项目，国家自然基金重点、优青等30余项国家及省部级重要科研项目，在Nano Energy，Advanced Functional Materials，Nano Letters，Composites part B: Engineering，Additive manufacturing等知名期刊发表SCI论文200余篇。担任中国有色金属学会青年工作委员会副主任委员、中国机械工程学会材料分会委员会委员、陕西省金属学会副理事长、陕西省有色金属学会副理事长，以及陕西省纳米科技学会常务理事。获授权中国发明专利60余项以及3项美国发明专利。参编专著3部。获陕西省科学技术一等奖、二等奖，中国交通运输协会科学技术二等奖，中国材料研究学会科学技术二等奖，宁波市科技进步一等奖，陕西高校科学技术研究优秀成果特等奖，陕西省冶金科学技术一等奖，全国有色金属优秀青年科技奖和陕西青年科技奖等多项奖励。

图文 | 谭雪，苏海军

编辑 |冯芳

责编 | 何峰

审核 | 禹亮