周邦陽，崔永靜，王長亮，岳 震，焦 健，宇 波

（1 中國航發(fā)北京航空材料研究院 航空材料先進(jìn)腐蝕與防護(hù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；2 中國航發(fā)北京航空材料研究院表面工程研究所，北京 100095；3 中國航發(fā)北京航空材料研究院先進(jìn)復(fù)合材料科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095）

近年來，隨著世界航空產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，研發(fā)新一代高推重比航空發(fā)動機(jī)已迫在眉睫。提高航空發(fā)動機(jī)渦輪前溫度和結(jié)構(gòu)減重是提高推重比的有效途徑。為滿足不斷升高的渦輪前溫度，航空發(fā)動機(jī)內(nèi)部的渦輪葉片等熱端部件均采用先進(jìn)單晶高溫合金制備。然而，目前高溫合金的服役溫度達(dá)到其熔點(diǎn)的85%～90%，已接近其承溫極限。雖然通過采用高效氣膜冷卻技術(shù)和熱障涂層等主動冷卻方案，可使在役的單晶高溫合金在理論上滿足使用需求，但這需要犧牲大量的冷卻氣體，勢必導(dǎo)致發(fā)動機(jī)效率和推力下降。此外，用于制造高壓渦輪葉片的Ni 基單晶高溫合金的密度接近9.0 g/cm3，已無法滿足高溫、輕質(zhì)的設(shè)計(jì)要求。因此，未來航空發(fā)動機(jī)的發(fā)展迫切需要研發(fā)輕質(zhì)、耐更高溫度的材料體系。SiCf/SiC 陶瓷基復(fù)合材料（ceramic matrix composites， CMC）具有高承溫（約1450 ℃）、低密度（約2.8 g/cm3）、高溫力學(xué)性能優(yōu)異等特點(diǎn)，被認(rèn)為是軍/民用航空發(fā)動機(jī)熱端部件的理想材料，并成功應(yīng)用于燃燒室、渦輪外環(huán)以及渦輪導(dǎo)向葉片等部件［1-3］。實(shí)踐表明，采用CMC 代替?zhèn)鹘y(tǒng)高溫合金，可使發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)部件質(zhì)量降低50%～70%，冷卻空氣量減少20%～50%，大幅度提高發(fā)動機(jī)的燃油效率［4-5］。

CMC 在航空發(fā)動機(jī)熱端部件大規(guī)模應(yīng)用的主要障礙是其在高溫水氧環(huán)境的耐久性較弱。在800 ℃以上干燥氣氛中，CMC 表面能氧化生成致密的SiO2保護(hù)層。由于O2在SiO2中的擴(kuò)散速率很低，因而CMC在干燥環(huán)境下具有優(yōu)異的抗高溫氧化性能［6］。然而，在以航空煤油為燃料的航空發(fā)動機(jī)服役環(huán)境下，燃燒產(chǎn)生的水蒸氣會與SiO2反應(yīng)形成揮發(fā)性的Si（OH）4。Si（OH）4被高速氣流反復(fù)沖刷，導(dǎo)致CMC 持續(xù)暴露在燃?xì)猸h(huán)境中，進(jìn)而加速CMC 消耗過程，最終引發(fā)力學(xué)性能的急劇衰退［7-8］。為突破CMC 抗高溫水氧腐蝕性能不足的瓶頸，在其表面制備環(huán)境障涂層（environmental barrier coatings，EBC）是最有效的解決方案。環(huán)境障涂層是涂覆在CMC 熱端部件表面的一種防護(hù)性涂層，該涂層能夠在CMC 基體和發(fā)動機(jī)服役環(huán)境之間建立一道安全屏障，通過阻止外部環(huán)境與CMC基體直接接觸，減緩發(fā)動機(jī)環(huán)境對CMC 的直接侵蝕，從而延長材料的使用壽命。目前，以莫來石（3Al2O3·SiO2）為黏結(jié)層和YSZ（yttria stabilized zirconia）為面層的第一代環(huán)境障涂層由于莫來石具有較高的SiO2活度以及過高的YSZ 熱膨脹系數(shù)［9-10］，不具備良好的抗水汽腐蝕性能；而以Si 為黏結(jié)層、莫來石+BSAS（BaO-SrO-Al2O3-SiO2）為中間層和BSAS 為面層的第二代環(huán)境障涂層在1300 ℃以上服役時(shí)，BSAS 會與SiO2反應(yīng)生成大量低熔點(diǎn)、高O2滲透率的玻璃相，極大限制其使用溫度［11］。因此，為滿足高溫、腐蝕介質(zhì)、燃?xì)鉀_刷以及復(fù)雜應(yīng)力等多因素交互作用下的服役需求，環(huán)境障涂層陶瓷材料必須具備以下特性［12］：（1）高熔點(diǎn)和高溫相/組織穩(wěn)定性；（2）低熱導(dǎo)率；（3）良好的高溫化學(xué)相容性；（4）與CMC 基體適配的熱膨脹系數(shù)；（5）優(yōu)異的高溫水汽穩(wěn)定性；（6）優(yōu)異的力學(xué)性能。

稀土硅酸鹽憑借熱膨脹系數(shù)低、高溫?zé)?化學(xué)穩(wěn)定性好、抗水氧腐蝕性能優(yōu)異等特點(diǎn)，成為第三代環(huán)境障涂層的候選材料。基于此，本文從材料體系與熱/物理特性、制備工藝、典型服役性能以及發(fā)展瓶頸與應(yīng)對措施等方面重點(diǎn)論述稀土硅酸鹽體系環(huán)境障涂層的研究現(xiàn)狀。

1 稀土硅酸鹽材料體系與熱/物理特性

自然界中稀土（rare earth，RE）元素共17 種，包含15 種鑭系元素（La，Ce，Pr，Nd，Pm，Sm，Eu，Gd，Tb，Dy，Ho，Er，Tm，Yb，Lu）和兩種與之密切相關(guān)的元素（Sc，Y）。稀土硅酸鹽種類繁多，具有多種晶體結(jié)構(gòu)，從化學(xué)式劃分，稀土硅酸鹽可分為兩大類：稀土單硅酸鹽（RE2SiO5）和稀土焦硅酸鹽（RE2Si2O7）。不同稀土元素、不同晶型的硅酸鹽其性能既存在共同點(diǎn)，也存在差異。

1.1 稀土單硅酸鹽

稀土單硅酸鹽（RE2SiO5）中RE2O3和SiO2的比例為1∶1。因?yàn)镽E 元素差異，可分為兩種晶型，如圖1所示［13］。當(dāng)稀土離子半徑較大（RE= La，Ce，Pr，Nd，Sm，Eu，Gd）時(shí)，RE2SiO5形成X1 相，空間群為P21/C，又稱為低溫相；當(dāng)稀土離子半徑較小（RE=Tb，Dy，Ho，Er，Tm，Yb，Lu）時(shí)，RE2SiO5形成X2 相，空間群為C2/c，又稱為高溫相。兩種晶型轉(zhuǎn)變溫度為1190 ℃左右［14］，當(dāng)RE 為Y 和Yb 時(shí)，則同時(shí)存在X1-RE2SiO5和X2-RE2SiO5［15-16］。X1-RE2SiO5和X2-RE2SiO5均可看成由REOx（x=6，7，8，9）多面體和SiO4四面體構(gòu)成，區(qū)別在于稀土原子的配位數(shù)不同：X1-RE2SiO5中的兩個(gè)稀土原子位置與氧分別為7 配位和9 配位，形成［REO7］和［REO9］多面體；而X2-RE2SiO5中的兩個(gè)稀土原子位置與氧分別為6 配位和7 配位，形成［REO6］和［REO7］多面體［13，17］。

圖1 RE2SiO5的兩種晶體結(jié)構(gòu)［13］ （a）X1-RE2SiO5；（b）X2-RE2SiO5Fig.1 Two crystal structures of RE2SiO5［13］ （a）X1-RE2SiO5；（b）X2-RE2SiO5

早期關(guān)于稀土硅酸鹽的研究主要集中在稀土單硅酸鹽，因?yàn)樗哂休^低的SiO2揮發(fā)性。其中，X1-RE2SiO5制備較為困難，高溫相穩(wěn)定性差，對其研究較少且主要側(cè)重于稀土摻雜材料的發(fā)光性能。與X1-RE2SiO5相比，X2-RE2SiO5具有相對較小的熱膨脹系數(shù)和較低的熱導(dǎo)率，更適合用作環(huán)境障涂層材料。Tian 等［18］對幾種純相、致密塊體X2-RE2SiO5進(jìn)行了系統(tǒng)的熱/力學(xué)性能測試，結(jié)果表明，這類材料具有優(yōu)異的高溫剛性和較低的熱導(dǎo)率，其中熱導(dǎo)率、彎曲強(qiáng)度以及抗熱震性能與稀土元素種類密切相關(guān)，而彈性模量（體模量、剪切模量、楊氏模量）、韌脆轉(zhuǎn)變溫度和熱膨脹系數(shù)對稀土元素種類不敏感。

Li 等［19］采用晶格動力學(xué)方法結(jié)合第一性原理計(jì)算并比較了X2-RE2SiO5（RE=Dy，Ho，Er，Tm，Yb，Lu）材料晶格振動和熱傳導(dǎo)行為，發(fā)現(xiàn)這些材料均具有較低的熱導(dǎo)率，且熱導(dǎo)率隨稀土原子序數(shù)增加而增大。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，稀土硅酸鹽陶瓷材料熱導(dǎo)率的測量受樣品缺陷、高溫輻射、熱容測量不確定性等多種因素的影響，難以直接反映材料的本征熱傳導(dǎo)行為。針對這個(gè)問題，Tian 等［20］將基于實(shí)驗(yàn)測得的熱擴(kuò)散系數(shù)隨溫度變化關(guān)系進(jìn)行外推，以去除缺陷、晶界等非本征因素的影響，從而獲得“實(shí)驗(yàn)本征熱導(dǎo)率”。該方法已成功應(yīng)用于多種RE2SiO5材料及其他復(fù)雜結(jié)構(gòu)氧化物陶瓷的熱導(dǎo)率研究，并發(fā)現(xiàn)其與理論計(jì)算值吻合較好［21］。

1.2 稀土焦硅酸鹽

稀土焦硅酸鹽（RE2Si2O7）中RE2O3和SiO2的比例為1∶2。根據(jù)稀土離子半徑和燒結(jié)溫度不同，RE2Si2O7存在七種不同的晶型［22］：A，B（或α），C（或β），D（或γ），E（或δ），F(xiàn)，G 型。幾種RE2Si2O7多晶型結(jié)構(gòu)均可看成REOx（x=6，7，8）多面體和SiO4四面體構(gòu)成。其中B 晶型中三個(gè)SiO4四面體以共角的方式相連形成［Si3O10］三聚體單元，而其他晶型中SiO4四面體均以兩兩共角方式連接形成［Si2O7］單元。

表1 為不同稀土焦硅酸鹽的晶型與所屬空間群和晶系［13］。可以看到，元素周期表中鑭系稀土中間位置的稀土元素對應(yīng)的焦硅酸鹽晶型較多。在900～1800 ℃內(nèi)，Ho2Si2O7和Eu2Si2O7具有四種不同的晶型；Er2Si2O7和Sm2Si2O7擁有三種晶型；La2Si2O7，Pr2Si2O7，Nd2Si2O7，Gd2Si2O7，Tb2Si2O7和Dy2Si2O7具有兩種不同的晶型，不同晶型的體積差別較大。Yb2Si2O7和Lu2Si2O7只存在一種晶型（即β -Yb2Si2O7和β-Lu2Si2O7），為鈧釔石結(jié)構(gòu)，在室溫到熔點(diǎn)的溫度區(qū)間內(nèi)能夠保持穩(wěn)定。需要指出，Lu2Si2O7在高壓條件下會出現(xiàn)其他晶體結(jié)構(gòu)，被命名為X 型RE2Si2O7［23］。

表1 不同稀土焦硅酸鹽的晶型與所屬空間群和晶系［13］Table 1 Crystal types，spatial groups and crystal systems of different rare earth disilicates［13］

值得注意的是，表1 中并不包含Y2Si2O7相關(guān)信息，這與其在不同溫度區(qū)間形成不同的相有關(guān)［13］。Y2Si2O7具有七種結(jié)構(gòu)晶型（一般以y，α，β，γ，δ，ζ 和η 命名）。α，β，γ，δ 之間存在的相變。

Y2Si2O7的相區(qū)較窄，不同晶型之間的形成溫度非常接近，因此，合成純相材料十分困難。此外，稀土元素獨(dú)特的性質(zhì)來自4f 電子層造成的鑭系收縮，即4f 層的電子導(dǎo)致有效電荷數(shù)增加，對核外電子的吸引力增大，引發(fā)半徑收縮。由于Y 元素沒有4f 電子層，Y2Si2O7無法代表稀土硅酸鹽材料的本征特性。

考慮到熱膨脹系數(shù)匹配性問題依舊是環(huán)境障涂層的主要挑戰(zhàn)，盡管稀土焦硅酸鹽的SiO2活性要高于稀土單硅酸鹽，但熱膨脹系數(shù)更加接近CMC 基體。因此，對稀土焦硅酸鹽的研究也十分重要。Fernandezcarrion 等［24］利用高溫X 射線衍射方法研究了不同晶型（A，G，α，β，γ，δ）的RE2Si2O7（RE=La，Pr，Nd，Gd，Dy，Ho，Er，Yb，Lu 和Sc）的熱膨脹行為。結(jié)果表明，A-RE2Si2O7具有各向同性熱膨脹行為，但熱膨脹系數(shù)最大；其他晶型RE2Si2O7表現(xiàn)出明顯的各向異性熱膨脹行為；α-RE2Si2O7，δ-RE2Si2O7和G-RE2Si2O7的熱膨脹系數(shù)比較接近，約為7.3×10-6K-1。β-RE2Si2O7和γ-RE2Si2O7的熱膨脹系數(shù)最小。此外，該體系材料的熱膨脹系數(shù)主要由多晶型結(jié)構(gòu)決定，而對稀土元素種類不敏感。Zhou等［25］通過溶膠-凝膠法合成Yb2Si2O7，采用1500 ℃熱壓燒結(jié)工藝制備Yb2Si2O7塊體，并結(jié)合第一性原理計(jì)算研究了該材料的硬度、彈性模量、彎曲強(qiáng)度和斷裂韌度等熱/物理特性。結(jié)果表明，Yb2Si2O7在800～1600 K 內(nèi)的熱膨脹系數(shù)約為3.7×10-6～4.5×10-6K-1。

表2 總結(jié)了部分稀土硅酸鹽的熱/物理特性［13］，包括熔點(diǎn)、熱膨脹系數(shù)（coefficient of thermal expansion，CTE）、熱導(dǎo)率Κ和彈性模量E。可以看到，稀土焦硅酸鹽的熔點(diǎn)較低，但CTE 與CMC 基體的匹配性更好；而稀土單硅酸鹽的熔點(diǎn)更高，抗水氧腐蝕性能更好，但是CTE 較大。

表2 稀土硅酸鹽材料的熱/物理性能［13］Table 2 Thermo-mechanical properties of rare earth silicates materials［13］

2 環(huán)境障涂層制備工藝

2.1 大氣等離子噴涂技術(shù)

等離子噴涂（atmospheric plasma spraying，APS）是目前應(yīng)用最廣泛的環(huán)境障涂層制備技術(shù)，具有沉積速率快、成本低、生產(chǎn)效率高、噴涂厚度可調(diào)控范圍大以及對部件形狀和尺寸適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。工作原理為：等離子噴槍的噴嘴（陽極）和電極（陰極）分別接電源的正負(fù)極，噴嘴和電極之間通入工作氣體（一般采用Ar 或N2作為等離子產(chǎn)生氣體，H2作為能量氣體），借助高頻火花引燃電?。浑娀⒐ぷ鳉怏w加熱離化，產(chǎn)生等離子弧，其溫度高達(dá)15000 K，氣體膨脹由噴嘴噴出高速等離子射流；送粉器將粉末送到等離子射流中，加熱至熔融或者半熔融狀態(tài)，然后以一定速度噴射到經(jīng)預(yù)處理的基體表面，急速冷卻并發(fā)生塑性變形，形成層狀堆疊涂層［26-27］。

盡管等離子噴涂技術(shù)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但隨著航空發(fā)動機(jī)熱端部件服役環(huán)境愈發(fā)惡劣，對涂層性能的要求也越來越高，該技術(shù)的一些弊端逐漸顯露。首先，由于等離子弧的溫度梯度，處在不同部位的粒子熔化情況不同，層片之間不可避免地存在一些孔隙或裂紋。等離子噴涂涂層的孔隙率一般在4%～20% 之間，這些缺陷能夠有效降低導(dǎo)熱系數(shù)，提高涂層隔熱性能。然而，在發(fā)動機(jī)工作環(huán)境下，一方面，這些缺陷為氧氣、水蒸氣及其他腐蝕介質(zhì)提供通道，腐蝕性物質(zhì)能夠快速滲入并從內(nèi)部破壞涂層；另一方面，層狀結(jié)構(gòu)導(dǎo)致涂層高溫應(yīng)變?nèi)菹薜?，加之陶瓷材料斷裂韌度普遍較低，使等離子噴涂制備的層狀結(jié)構(gòu)涂層在冷熱循環(huán)過程中不能有效緩解和釋放應(yīng)力，涂層壽命有限。其次，等離子噴涂制備環(huán)境障涂層時(shí)，由于沉積過程中熔融粉末在基體表面冷卻速度較快，制備態(tài)涂層內(nèi)部含有大量的非晶相。雖然非晶相在高溫環(huán)境服役下會重新結(jié)晶，但此過程伴隨有體積收縮，導(dǎo)致涂層開裂和界面脫粘。Xiao 等［28］發(fā)現(xiàn)，在大氣等離子噴涂Yb2SiO5過程中，熔融Yb2SiO5粉末的冷卻速度過快，使Yb2SiO5涂層呈非晶態(tài)。在后續(xù)退火過程中，涂層由非晶態(tài)向晶態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)伴隨體積收縮，導(dǎo)致涂層內(nèi)部出現(xiàn)裂紋。Carcia 等［29］發(fā)現(xiàn)，大氣等離子噴涂Yb2Si2O7涂層中存在非晶相，含有非晶相的涂層處于拉應(yīng)力狀態(tài)，且CTE 明顯高于CMC 基體。最后，等離子噴涂后，稀土硅酸鹽涂層實(shí)際成分通常與設(shè)計(jì)成分不一致，容易產(chǎn)生第二相。Richards 等［30］報(bào)道，通過等離子噴涂工藝沉積Yb2SiO5涂層，除含有Yb2SiO5相之外，還存在Yb2O3相，并且Yb2O3相含量隨著功率增大而增加。Yb2O3相的形成，是由于Yb2SiO5噴涂粉末在等離子束流中出現(xiàn)一部分過分加熱現(xiàn)象，導(dǎo)致成分中出現(xiàn)SiO 損失。在稀土焦硅酸鹽中也出現(xiàn)類似的結(jié)果，Zhong 等［31］采用等離子噴涂工藝制備Yb2Si2O7涂層，發(fā)現(xiàn)Yb2Si2O7涂層中存在Yb2SiO5相。Yb2SiO5相的出現(xiàn)同樣是SiO 損失的結(jié)果，較高Si蒸氣壓（與含Yb物質(zhì)的蒸氣壓相比）是導(dǎo)致熔滴SiO 損失的主要原因。

裂紋、非晶相以及第二相的出現(xiàn)及含量會對制備態(tài)涂層的微觀結(jié)構(gòu)、抗高溫水氧腐蝕性能以及抗熱震性能產(chǎn)生較大的影響，研究人員通常采用調(diào)整等離子噴涂工藝參數(shù)和噴涂后熱處理的方法提高制備態(tài)涂層性能。等離子噴涂工藝參數(shù)分為噴涂參數(shù)、粉末性質(zhì)、粉末注入工藝和輔助工藝四個(gè)方面。具體來說，等離子噴涂參數(shù)包括噴槍配置、工藝氣體、噴涂功率、噴涂距離、噴涂角度和基體加熱溫度等；噴涂粉末性質(zhì)是指粉末形態(tài)、流動性和粒度分布等；粉末注入工藝包括注粉速率、載氣流量、粉末注入位置和注入角度等；輔助工藝包括等離子束流移動路線、移動速度和次數(shù)、工裝夾具與動作設(shè)計(jì)等［32］。而常用的后處理工藝是保護(hù)氣氛高溫退火處理，它不僅可以使非晶相結(jié)晶，還能夠在一定程度上修復(fù)微裂紋和孔隙。

2.2 電子束-物理氣相沉積技術(shù)

電子束-物理氣相沉積（EB-PVD）技術(shù)是一種真空鍍膜方法，利用電子束作為熱源，將靶材以氣相原子或分子的形式蒸發(fā)到預(yù)熱基體表面形成涂層的技術(shù)?；竟ぷ髟頌椋涸谡婵窄h(huán)境中，由電子槍產(chǎn)生高能電子束，并通過磁場或電場將電子束聚焦于靶材上，靶材被電子束加熱形成高溫熔池，進(jìn)一步控制加熱功率實(shí)現(xiàn)靶材的汽化。蒸發(fā)出的原子自由擴(kuò)散到基體表面形成晶核，晶核在源源不斷蒸發(fā)出來的氣相氛圍中沿厚度方向生長而構(gòu)成單獨(dú)柱狀晶體，形成柱狀晶結(jié)構(gòu)涂層。該涂層柱體與基體是冶金結(jié)合，柱狀組織沿〈001〉方向生長。在熱循環(huán)過程中，柱狀晶之間能夠相互伸縮或者閉合，明顯緩解循環(huán)過程中由于涂層和基體熱膨脹系數(shù)的差異而造成的熱應(yīng)力，因此可以大幅提高涂層抗熱震性能。同時(shí)，涂層表面光滑，可減小燃?xì)庾枇?，提高涂層壽命。然而，柱狀晶結(jié)構(gòu)涂層的柱間孔隙是熱流傳遞通道，因此，EB-PVD涂層的熱導(dǎo)率一般高于等離子噴涂涂層。此外，在高溫水汽環(huán)境下，腐蝕性介質(zhì)易沿柱間間隙進(jìn)入涂層內(nèi)部，加速腐蝕涂層。

目前，國內(nèi)外關(guān)于EB-PVD 制備環(huán)境障涂層的報(bào)道相對較少。Yokoi 等［33］利用EB-PVD 設(shè)備，采用雙電子槍分別蒸發(fā)Yb2O3和SiO2靶材，在1250 ℃莫來石陶瓷基體表面沉積了致密柱狀晶Yb2Si2O7涂層。由于Yb2O3和SiO2的平衡分壓差異大，因此，用于蒸發(fā)Yb2O3和SiO2靶材的雙電子槍功率分別為16 kW 和12 kW。沉積層由單相Yb2Si2O7組成，具有（110）取向結(jié)構(gòu)。該涂層具有沿厚度方向延伸的高致密度柱狀晶結(jié)構(gòu)，并不是傳統(tǒng)EB-PVD 技術(shù)沉積的羽毛狀結(jié)構(gòu)。Fan等［34］采用混合工藝，首先利用EB-PVD 沉積約60 μm的致密Si 黏結(jié)層，然后再用APS 技術(shù)制備出mullite+BSAS/Er2SiO5，并將涂層樣品置于1400 ℃大氣環(huán)境中氧化133 h，涂層表現(xiàn)出良好的抗氧化性。Poerschke等［35］同樣使用裝備雙電子槍的EB-PVD 設(shè)備，通過控制Yb2O3和SiO2靶材沉積出Yb2SiO5/Yb2Si2O7復(fù)合涂層，經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)復(fù)合涂層中存在非晶態(tài)的成分。退火處理后，雖然涂層完全結(jié)晶，卻喪失了柱狀晶結(jié)構(gòu)特征。

2.3 等離子-物理氣相沉積技術(shù)

等離子-物理氣相沉積（PS-PVD）是在物理氣相沉積與等離子噴涂方法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型涂層制備方法。該技術(shù)結(jié)合APS 和PVD 兩種技術(shù)的優(yōu)勢，既有APS 技術(shù)沉積效率高、成本低的優(yōu)點(diǎn)，又兼具EB-PVD 技術(shù)的涂層均勻、致密、能獲得非平衡結(jié)晶成膜的特征。通過協(xié)同調(diào)控等離子束流功率、噴涂距離和注粉速率等諸多工藝參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)涂層氣、液、固單相或多相的快速沉積，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)涂層結(jié)構(gòu)從層狀到柱狀的連續(xù)調(diào)控。更為重要的是，PS-PVD 具有非常好的繞鍍性，能夠在復(fù)雜工件表面非視線區(qū)域均勻沉積涂層。Wang 等［36-37］通過PS-PVD 在SiCf/SiC 表面制備了3 層結(jié)構(gòu)的Si/mullite/Yb2SiO5涂層，并將涂層置于1300 ℃水蒸氣氛圍中測試長達(dá)200 h，Yb2SiO5層形成了梯度多孔結(jié)構(gòu)。對此解釋為，在腐蝕過程中，水蒸氣滲入涂層并與SiO2和Yb2O3反應(yīng)生成揮發(fā)性物質(zhì)，形成多孔結(jié)構(gòu)，隨著腐蝕時(shí)間累積而在厚度方向形成梯度多孔結(jié)構(gòu)。熱膨脹失配、沉積后的瞬態(tài)冷卻以及Yb2SiO5蒸發(fā)-形核產(chǎn)生的應(yīng)力是垂直裂紋形成的主要驅(qū)動力。一旦驅(qū)動力超過涂層強(qiáng)度，涂層表面區(qū)域就會形成微裂紋，并垂直向涂層內(nèi)部拓展，形成較大垂直裂紋。肖杰［38］研究了PS-PVD 工藝參數(shù)對 Yb2SiO5涂層微觀組織結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果表明，在高功率/低壓力（65 kW/200 Pa）條件下，涂層為基于氣相沉積形成的柱狀結(jié)構(gòu)，主相是Yb2Si2O7，包含少量Yb2SiO5和SiO2；在低功率/高壓力（40 kW/1000 Pa）條件下，涂層為基于液相沉積形成的層狀結(jié)構(gòu)，主相為Yb2SiO5，包含少量 Yb2Si2O7和Yb2O3。

盡管PS-PVD 技術(shù)在控制涂層微結(jié)構(gòu)、高效率大面積沉積、完全覆蓋具有復(fù)雜幾何形狀的零件以及陰影表面等方面具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢和潛力，但由于粉末制備困難、傳輸和沉積機(jī)理尚不明確等原因，PSPVD 技術(shù)目前還未被廣泛應(yīng)用。

3 稀土硅酸鹽涂層性能研究

環(huán)境障涂層存在多種失效模式，如圖2 所示［39］，包括氧化、水汽腐蝕、熔鹽腐蝕、熱失配和外來粒子沖擊等。根據(jù)是否發(fā)生反應(yīng)可將這些失效模式分為3 類：化學(xué)類、機(jī)械類和物理類?；瘜W(xué)類失效主要來源于水蒸氣、氧氣、CMAS（calcium magnesium aluminum silicate）、熔鹽等腐蝕性介質(zhì)與EBC 的反應(yīng)以及EBC 各層間的化學(xué)不相容，這些反應(yīng)產(chǎn)生的副產(chǎn)物導(dǎo)致涂層最終剝落；機(jī)械類失效主要來源于EBC 在冷熱循環(huán)過程中由于熱膨脹系數(shù)不匹配而產(chǎn)生的熱應(yīng)力，熱應(yīng)力是EBC 內(nèi)部裂紋形成的主要驅(qū)動力；物理類失效主要來源于EBC 服役過程中的相變、燒結(jié)等，這伴隨著明顯的體積變化，導(dǎo)致涂層內(nèi)部出現(xiàn)開裂和孔隙等缺陷。在航空發(fā)動機(jī)實(shí)際工作環(huán)境中，EBC 的失效往往是多種模式共同作用的結(jié)果。

圖2 環(huán)境障涂層不同的失效類型［39］（a）水汽氧化；（b）熔鹽腐蝕；（c）水氧腐蝕退化；（d）沖蝕；（e）疲勞失效；（f）外來物破壞Fig.2 Different failure types of EBC［39］（a）steam oxidation；（b）molten salt corrosion；（c）recession by water vapor；（d）erosion；（e）fatigue failure；（f）foreign object damage

因此，為確保環(huán)境障涂層能夠在惡劣、復(fù)雜的工作環(huán)境中長期穩(wěn)定使用，有效抵御水蒸氣、氧氣以及熔鹽的腐蝕是首要要求，在1350 ℃或更高溫度下，涂層各層之間具備良好的熱/物理性能匹配性、化學(xué)相容性以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是必要條件。稀土硅酸鹽具有熔點(diǎn)高、水汽環(huán)境穩(wěn)定性高和熱膨脹系數(shù)低等特點(diǎn)，是第三代環(huán)境障涂層的主要候選材料，國內(nèi)外研究人員對稀土硅酸鹽體系環(huán)境障涂層在航空發(fā)動機(jī)環(huán)境下的性能展開大量研究。

3.1 抗氧化性能

氧化在EBC 的失效中起到至關(guān)重要的作用。高溫下，Si 黏結(jié)層氧化形成SiO2熱生長氧化物（thermally grown oxide，TGO）。TGO 內(nèi)部應(yīng)力積累是導(dǎo)致EBC 體系失效的最重要原因。TGO 的應(yīng)力主要來源于三個(gè)方面［40］：（1）SiO2縱向生長，造成約2.2 倍的體積膨脹，由此產(chǎn)生的生長應(yīng)力；（2）SiO2在冷熱循環(huán)過程中發(fā)生相變，產(chǎn)生的界面拉應(yīng)力（α-SiO2在1316 ℃轉(zhuǎn)變成β 相，冷卻至200 ℃又轉(zhuǎn)變?yōu)棣?SiO2）；（3）SiO2和EBC之間熱膨脹系數(shù)不匹配而產(chǎn)生的熱應(yīng)力（SiO2：10.3×10-6K-1；EBC：4×10-6～5×10-6K-1）。此外，氧化過程通常伴隨涂層層間元素?cái)U(kuò)散及相變，進(jìn)一步加速涂層剝落和失效。

賀世美等［41］采用電子束物理氣相沉積和等離子噴涂工藝在Cf/SiC 基體表面制備Si/3Al2O3·2SiO2+BSAS/Yb2SiO5環(huán)境障涂層，研究涂層在1400 ℃恒溫環(huán)境下的抗氧化性能。結(jié)果表明，涂覆環(huán)境障涂層的Cf/SiC 試樣在氧化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到80 h 時(shí)出現(xiàn)失重現(xiàn)象。3Al2O3·2SiO2+BSAS 中間層內(nèi)的Ba 和Al 元素向外擴(kuò)散，并在Yb2SiO5面層中發(fā)生反應(yīng)生成BaO2和Al2Yb4O9，BSAS 在1400 ℃恒溫氧化環(huán)境下發(fā)生燒結(jié)和收縮，以及由于熱膨脹系數(shù)差異造成的環(huán)境障涂層內(nèi)殘余應(yīng)力的產(chǎn)生均是導(dǎo)致涂層過早剝落失效的主要原因。

范金娟等［42］采用化學(xué)氣相沉積和等離子噴涂相結(jié)合的方法在SiCf/SiC 表面制備Si/mullite/Er2SiO5環(huán)境障涂層，并研究涂層在1350 ℃和1500 ℃下的抗氧化性能。結(jié)果表明，涂層在1350 ℃下具有良好的抗氧化性能，氧化失效的原因在于垂直裂紋沿涂層表面和厚度方向擴(kuò)展，而Er2SiO5層與mullite 層界面區(qū)域的相變進(jìn)一步促進(jìn)裂紋擴(kuò)展。裂紋擴(kuò)展至Si 黏結(jié)層時(shí)，Si氧化生成低熔點(diǎn)玻璃態(tài)SiO2膜，降低涂層之間的結(jié)合強(qiáng)度，導(dǎo)致涂層脫落。當(dāng)溫度升高至1500 ℃時(shí)，Si 黏結(jié)層與mullite 中間層的元素?cái)U(kuò)散加快，涂層表面生成Er2Si2O7和Er3Al5O12等新相，而內(nèi)部形成孔洞?？v向裂紋在Er2SiO5表面玻璃態(tài)區(qū)萌生后垂直向涂層內(nèi)部擴(kuò)散，孔洞與垂直裂紋相連導(dǎo)致涂層脫落。

3.2 抗水氧腐蝕性能

水氧腐蝕是制約環(huán)境障涂層發(fā)展的一個(gè)重要因素。在航空發(fā)動機(jī)中，無論燃料和空氣比例如何，航空煤油的燃燒產(chǎn)物都含有約10%的水蒸氣。因此，環(huán)境障涂層在高溫水蒸氣環(huán)境下的失效機(jī)理已成為該領(lǐng)域研究的一個(gè)重點(diǎn)。

Richards 等［43］采用大氣等離子噴涂SiC 表面制備Si/mullite/Yb2SiO53 層EBC 體系和Si/Yb2Si2O7雙層EBC 體系，考察兩種涂層在90%（體積分?jǐn)?shù)，下同）H2O-10%O2、氣流速度4.4 cm/s、1316 ℃高溫水汽環(huán)境中的抗熱震性能。結(jié)果表明，經(jīng)過600 周次循環(huán)后，Si/mullite/Yb2SiO5涂層發(fā)生剝落，其失效機(jī)理如圖3所示。Yb2SiO5與莫來石熱膨脹系數(shù)均大于SiC 基體，在熱循環(huán)過程中，Yb2SiO5與莫來石涂層產(chǎn)生熱應(yīng)力，引起涂層開裂，形成貫穿裂紋。水蒸氣和O2等腐蝕性物質(zhì)沿貫穿裂紋快速擴(kuò)散到Si 黏結(jié)層，Si 發(fā)生氧化生成β-SiO2（TGO）和揮發(fā)性的Si（OH）4。由于反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，在幾百周次熱循環(huán)之后，TGO 厚度增加至十幾微米。同時(shí)，SiO2相變造成的體積收縮進(jìn)一步加速TGO 層的剝落。而Si/Yb2Si2O7涂層經(jīng)過2000 周次循環(huán)后僅出現(xiàn)邊緣剝落，這得益于Yb2Si2O7與SiC 基體較為相近的熱膨脹系數(shù)，在熱循環(huán)過程中幾乎沒有貫穿裂紋產(chǎn)生，TGO 厚度僅為2.5 μm。但是，Yb2Si2O7在高溫水汽環(huán)境下會發(fā)生緩慢的分解，導(dǎo)致Yb2Si2O7涂層表面生成一層厚度約15 μm 的多孔Yb2SiO5層。

圖3 Si/mullite/Yb2SiO5涂層失效示意圖［43］（a）退火態(tài)涂層；（b）高溫氧化揮發(fā)；（c）氧化膜相變應(yīng)力；（d）涂層邊緣率先剝落Fig.3 Schematic diagrams of damage mechanisms of Si/mullite/Yb2SiO5 coatings［43］（a）as-annealed coating；（b）high temperature oxidation and volatility；（c）TGO transformation stress；（d）coating edge prior to failure

在1380 ℃，PH2O=0.909×105Pa，Ptotal=11.01×105Pa 和v=2.2 cm/s 條件下，Lee 考察了Si/mullite/Yb2SiO5環(huán)境障涂層的抗水汽腐蝕性能，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過1000 周次循環(huán)后，涂層保持較好的附著力和抗裂性，如圖4（a）所示［44］。在1400 ℃，PH2O=0.606×105Pa，Ptotal=61.01×105Pa 和v=24 m/s 條件下對該體系進(jìn)行了100 h 的高壓燃燒實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)涂層沒有發(fā)生明顯的變化（圖4（b）［45］）。高溫循環(huán)水汽腐蝕和高壓燃燒實(shí)驗(yàn)的結(jié)果證明，Si/mullite/Yb2SiO5體系EBC 應(yīng)用在燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)熱端部件的可行性。

圖4 Si/mullite/Yb2SiO5涂層性能測試（a）1000 周次循環(huán)水汽腐蝕后的截面形貌[44]；（b）100 h 高壓燃燒實(shí)驗(yàn)后的截面形貌[45]Fig.4 Performance test of Si/mullite/Yb2SiO5 coatings（a）cross-section morphology after 1000 cycles water vapor corrosion[44]；（b）cross-section morphology after 100 h high pressure burner[45]

Ueno 等［46］采用反應(yīng)燒結(jié)法和等離子噴涂工藝在氮化硅基體表面制備Lu2Si2O7/Lu2Si2O7+mullite/Lu2Si2O7多層EBC 體系，并使用高速蒸汽噴射裝置在1300 ℃下進(jìn)行500 h 的衰退實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，該EBC體系在高溫蒸汽暴露實(shí)驗(yàn)中保持良好的穩(wěn)定性，Lu2Si2O7面層表層被水蒸氣腐蝕，由于SiO2的揮發(fā)導(dǎo)致涂層表面出現(xiàn)氣孔，涂層內(nèi)部觀察到一些貫穿裂紋，裂紋附近的基體被氧化，形成TGO。

3.3 抗熔鹽腐蝕性能

渦輪發(fā)動機(jī)服役過程中會面臨Na2SO4，NaCl 等鹽污染物引起的熱腐蝕，EBC 中Si 黏結(jié)層的氧化產(chǎn)物SiO2與Na2SO4反應(yīng)生成Na2SiO3和SO3，進(jìn)一步加劇涂層性能的衰退。因此，Na2SO4和NaCl 等沉積物對EBC 性能的影響必須引起重視。

Sun 等［47］研究了γ-Y2Si2O7的Na2SO4腐蝕行為和機(jī)制，發(fā)現(xiàn)其在950 ℃環(huán)境下腐蝕20 h 后生成條形NaY9Si6O26磷灰石相和富硅層，腐蝕產(chǎn)物在高溫下易熔融形成液相，可填充涂層內(nèi)部孔隙，有利于延緩腐蝕。劉平平等［48］采用真空等離子噴涂技術(shù)制備Si/Yb2Si2O7/Yb2SiO53 層EBC 體系，并研究了該體系在900 ℃、Na2SO4+25%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）NaCl 熔鹽環(huán)境中的腐蝕行為與機(jī)制。結(jié)果顯示，腐蝕240 h 后熔鹽組分滲透Yb2SiO5涂層，在Yb2Si2O7中間層發(fā)生富集。涂層中Yb2SiO5相具有良好的穩(wěn)定性，中間層Yb2Si2O7相與熔鹽反應(yīng)生成磷灰石相NaYb9Si6O26和鈉硅酸鹽，并產(chǎn)生Cl2和SO2等揮發(fā)性物質(zhì)，影響服役壽命。Si 黏結(jié)層中未發(fā)現(xiàn)熔鹽滲透現(xiàn)象，涂層保持完整，表明該涂層體系具有良好的抗熔鹽腐蝕性能。

3.4 抗CMAS 腐蝕性能

航空發(fā)動機(jī)服役過程通常會隨著氣流吸入大量雜質(zhì)，如粉塵、砂粒、火山灰等鈣鎂鋁硅酸鹽礦物。CMAS 的組成成分因不同地域的空氣質(zhì)量而有所差異，其熔點(diǎn)會隨其精確成分而變化，但普遍認(rèn)為CMAS 的熔點(diǎn)在1190～1260 ℃之間。CMAS 顆粒隨高溫氣流進(jìn)入渦輪，熔化后附著在EBC 表面，對EBC壽命帶來極大的威脅。因此，科研人員針對稀土硅酸鹽EBC 體系的抗CMAS 腐蝕性能展開大量研究。

Zhao 等［49］采用等離子噴涂制備Si/mullite/Yb2SiO5與Si/mullite/Yb2Si2O7兩種EBC 體系，并研究兩種涂層在1300 ℃環(huán)境中的CMAS 腐蝕行為。結(jié)果表明，Yb2SiO5和Yb2Si2O7與CMAS 反應(yīng)析出Ca2Yb8（SiO4）6O2磷灰石相，同時(shí)熔融CMAS 沿磷灰石的晶界向涂層內(nèi)部滲透，使得涂層結(jié)構(gòu)遭到破壞。Jiang等［50］研究了RE2SiO5（RE=Lu，Yb，Eu，Gd 或La）塊體在1200 ℃環(huán)境中的CMAS 腐蝕行為。結(jié)果表明，RE2SiO5與CMAS 中SiO2反應(yīng)生成RE2Si2O7，其中，RE3+半徑小的RE2SiO5耐蝕性較好，容易析出石榴石相，RE3+半徑較大的RE2SiO5與CMAS 反應(yīng)，容易形成磷灰石相。Tian 等［51］研究了X2-RE2SiO5（RE=Y，Er，Tm，Yb 或Lu）塊體在1300 ℃環(huán)境中的CMAS 腐蝕行為與機(jī)制。結(jié)果表明，RE2SiO5塊體與CMAS 反應(yīng)生成Ca2RE8（SiO4）8O2，且隨RE3+半徑減小，其反應(yīng)活性降低，表面產(chǎn)生的腐蝕層厚度減小。同時(shí)，通過理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合探究了1300 ℃塊體X1-RE2SiO5（RE=La，Nd， Sm， Eu 或Gd）的耐CMAS 腐蝕性能。結(jié)果表明，隨RE3+半徑增加，X1-RE2SiO5塊體表面生成的腐蝕層厚度減小，從而呈現(xiàn)較好的耐蝕性能。

4 稀土硅酸鹽體系發(fā)展瓶頸與應(yīng)對措施

盡管由Si/mullite+BSAS/稀土硅酸鹽組成的第三代EBC 體系有望大幅提高航空發(fā)動機(jī)熱端部件的使用溫度和壽命，但由于材料的局限性以及工藝本身導(dǎo)致的涂層質(zhì)量問題，其抗高溫水氧腐蝕性能、抗CMAS 腐蝕性能等典型服役性能仍有較大的提升空間。因此，針對以稀土硅酸鹽為面層材料的第三代EBC 體系進(jìn)一步發(fā)展面臨的諸多限制因素，探索對應(yīng)的改進(jìn)措施具有十分重要的意義。

4.1 單一稀土硅酸鹽的局限性及改進(jìn)

如前文所述，稀土硅酸鹽因具有熱膨脹系數(shù)低、高溫?zé)?化學(xué)穩(wěn)定性好、抗水氧腐蝕性能優(yōu)異等特點(diǎn)，被看作是最具潛力的EBC 候選材料。然而，稀土硅酸鹽材料家族龐大，體系豐富，其中，稀土單硅酸鹽（RE2SiO5）相穩(wěn)定性好、熔點(diǎn)高、耐水氧腐蝕性能優(yōu)異，而稀土焦硅酸鹽（RE2Si2O7）的熱膨脹系數(shù)與CMC基體較為匹配，且與Si 或SiO2的化學(xué)相容性好?？傮w來說，稀土硅酸鹽體系中的各種材料作為環(huán)境障涂層各具優(yōu)勢，但缺乏綜合性能優(yōu)秀的材料，能夠兼顧發(fā)動機(jī)復(fù)雜工作環(huán)境中熱、力、化性能的多項(xiàng)需求。因此，EBC 用稀土硅酸鹽材料的關(guān)鍵性能優(yōu)化和新體系探索仍是研究重點(diǎn)之一。之前研究結(jié)果表明，稀土硅酸鹽材料的抗高溫腐蝕性能、高溫相穩(wěn)定性和熱膨脹系數(shù)等關(guān)鍵性能與稀土元素種類直接相關(guān)。近年來，科研人員提出在全系稀土范圍內(nèi)設(shè)計(jì)多組元/高熵稀土硅酸鹽材料的新思路，通過合理的高熵化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)稀土硅酸鹽材料力學(xué)、熱學(xué)以及抗腐蝕性能的平衡優(yōu)化，以突破單一稀土硅酸鹽關(guān)鍵性能的局限性，進(jìn)而滿足未來環(huán)境障涂層的性能需求［52］。

任孝旻［53］采用高熵化設(shè)計(jì)方法，優(yōu)選了抗水蒸氣腐蝕性能優(yōu)異的Ho，Er 元素，以及耐CMAS 腐蝕性能好的Y，Yb 元素，制備出單相高熵稀土單硅酸鹽（Y1/4Ho1/4Er1/4Yb1/4）2SiO5材料。該材料為X2 結(jié)構(gòu)RE2SiO5，四種稀土元素離子在原子尺度均勻隨機(jī)分布，表明該材料為單相高熵稀土單硅酸鹽。同時(shí)，該材料室溫至1200 ℃范圍的CTE 明顯低于四種單組元稀土硅酸鹽RE2SiO5（RE=Y，Ho，Er 和Yb），降低幅度約11%～19%。室溫?zé)釋?dǎo)率較四種單組元稀土硅酸鹽RE2SiO5降低5.40%～66.8%。

Turcer 等［54］選取Y，Yb，Sc，Gd 和Lu 五種稀土元素，利用放電等離子燒結(jié)技術(shù)制備了高熵（Y0.2Yb0.2Sc0.2Gd0.2Lu0.2）2Si2O7稀土焦硅酸鹽材料，并利用閃光法研究其室溫至1000 ℃的熱導(dǎo)率。結(jié)果表明，該高熵材料具有單相β 型結(jié)構(gòu)，其熱導(dǎo)率顯著低于對應(yīng)的單組元稀土雙硅酸鹽及簡單固溶體材料，在1000 ℃時(shí)，β-（Y0.2Yb0.2Sc0.2Gd0.2Lu0.2）2Si2O7的熱導(dǎo)率僅為1.52 W·m-1·K-1，有望成為新一代環(huán)境障涂層面層材料。

4.2 稀土硅酸鹽隔熱性能的局限性及改進(jìn)

隨著航空發(fā)動機(jī)推重比的提升，渦輪前進(jìn)口溫度進(jìn)一步升高，因此，隔熱降溫是新一代環(huán)境障涂層必須要考慮的問題。稀土硅酸鹽材料的導(dǎo)熱系數(shù)偏高，導(dǎo)致CMC 表面溫度超過材料內(nèi)部SiC 纖維的承受溫度，纖維性能急劇衰退，嚴(yán)重影響CMC 熱端部件的使用壽命。目前，通過高熵化設(shè)計(jì)降低稀土硅酸鹽材料熱導(dǎo)率的研究還停留在實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證階段。此外，高熵稀土硅酸鹽涂層制備過程中，由于各稀土元素的蒸氣壓有所區(qū)別，涂層實(shí)際成分容易偏離化學(xué)計(jì)量比，造成服役性能具有嚴(yán)重不確定性，無法滿足工程應(yīng)用需求。

近年來，研究者通過結(jié)合熱障涂層技術(shù)，提出熱/環(huán)境障涂層（thermal/environmental barrier coating，T/EBC）的概念：即在環(huán)境障涂層表面制備一層低熱導(dǎo)率的熱障涂層，以期實(shí)現(xiàn)涂層表面處于超高溫度而CMC 基材保持較低溫度的設(shè)計(jì)目的。

Poerschke 等［55］利用電子束物理氣相沉積/定向氣相沉積（EB-PVD/DVD）制備的稀土鋯酸鹽/鉿酸鹽為面層，熱噴涂制備的致密稀土硅酸鹽為中間層，具有優(yōu)異抗氧化性能的富Si 材料為黏結(jié)層的多層T/EBC，其中面層使用稀土鋯酸鹽或稀土鉿酸鹽，用來減緩CMAS 對EBC 涂層的腐蝕，同時(shí)提供一定的隔熱性能。環(huán)境障中間層采用梯度設(shè)計(jì)，下部為熱膨脹系數(shù)較小的稀土雙硅酸鹽RE2Si2O7，上部是CTE 較大的稀土單硅酸鹽RE2SiO5，致密的環(huán)境障涂層能有效阻止高溫水蒸氣對CMC 基材的腐蝕。T/EBC 體系的多層梯度設(shè)計(jì)，可以有效減少熱循環(huán)過程中的熱應(yīng)力。

Zhu 等［56］設(shè)計(jì)了一種承溫能力達(dá)到1650 ℃的多層T/EBC 體系。CMC 基體上第1 層為改進(jìn)的黏結(jié)層，材料是HfO2改性的Si 涂層或稀土元素RE 改性的Si-RE 合金；第2 層為能量散耗和化學(xué)阻擋層，材料是HfO2改性的稀土硅酸鹽；第3 層為二次輻射障礙和熱控制化學(xué)阻礙層，材料為HfO2改性的稀土鋁硅酸鹽；最外層是耐高溫柱狀的TBC 層，該層材料需要有低熱導(dǎo)率、高應(yīng)變耐受性和良好的抗CMAS 腐蝕的能力。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，梯度過渡層的引入雖然改善涂層的熱循環(huán)性能，但也增加了涂層制備的工藝繁瑣性，降低涂層的可靠性。

5 結(jié)束語

第三代Si 黏結(jié)層/mullite+BSAS 中間層/稀土硅酸鹽面層體系是目前最具應(yīng)用價(jià)值的環(huán)境障涂層，有望顯著提高CMC 熱端部件的使用溫度和服役壽命，對提高發(fā)動機(jī)渦輪前溫度和結(jié)構(gòu)減重具有重要意義。但在實(shí)際服役過程中，諸多因素限制其進(jìn)一步發(fā)展：（1）由于制備工藝導(dǎo)致稀土硅酸鹽涂層內(nèi)部產(chǎn)生第二相、裂紋和非晶相；（2）稀土硅酸鹽導(dǎo)熱系數(shù)較高，使Si 黏結(jié)層的服役溫度超過其熔點(diǎn)；（3）涂層服役過程中，由于熱膨脹系數(shù)失配或相變產(chǎn)生的貫穿裂紋等。由此可知，低熱導(dǎo)率及優(yōu)異的耐高溫水氧腐蝕性能是環(huán)境障涂層的首要要求，與CMC 基體及黏結(jié)層相匹配的熱膨脹系數(shù)、良好的化學(xué)兼容性和高溫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是保證涂層服役壽命的必要條件。目前大部分關(guān)于稀土硅酸鹽體系EBC 的研究只從單一角度出發(fā)改進(jìn)涂層的防護(hù)性能，缺乏一種綜合性能優(yōu)秀的材料，能夠兼顧發(fā)動機(jī)復(fù)雜工作環(huán)境中熱、力、化性能的多項(xiàng)需求。因此，多功能耦合環(huán)境障涂層將是未來環(huán)境障涂層發(fā)展的一個(gè)重要方向。此外，發(fā)動機(jī)真實(shí)服役環(huán)境非常復(fù)雜苛刻，目前EBC 性能評價(jià)手段單一，缺乏完整的環(huán)境性能評價(jià)體系，建立航空發(fā)動機(jī)環(huán)境模擬平臺，發(fā)展簡易、科學(xué)的模擬測試方法，是當(dāng)前環(huán)境障涂層領(lǐng)域的另一個(gè)研究熱點(diǎn)。

為滿足CMC 熱端部件使用要求并推進(jìn)其使用進(jìn)程，對稀土硅酸鹽體系環(huán)境障涂層需開展以下技術(shù)攻關(guān)：

（1）發(fā)展新型EBC 制備技術(shù)，進(jìn)一步優(yōu)化等離子噴涂工藝參數(shù)，深入研究涂層沉積機(jī)理與結(jié)構(gòu)控制方法等基礎(chǔ)理論問題，掌握涂層成分與微結(jié)構(gòu)精確調(diào)控技術(shù)。

（2）對多稀土組元/高熵稀土硅酸鹽材料開展系統(tǒng)研究，明晰稀土硅酸鹽材料成分結(jié)構(gòu)、熱/力學(xué)特性和典型服役性能之間的內(nèi)在聯(lián)系和協(xié)同作用機(jī)制，提出高熵稀土硅酸鹽的性能調(diào)制原則，建立多功能熱/環(huán)境障涂層用稀土硅酸鹽材料綜合性能調(diào)控新途徑。

（3）采用高熔點(diǎn)氧化物、改性劑對現(xiàn)有Si 黏結(jié)層體系進(jìn)行改性，研究涂層微結(jié)構(gòu)與典型服役性能之間的演變規(guī)律，建立涂層成分-微結(jié)構(gòu)-性能的協(xié)同優(yōu)化方法，為發(fā)展高性能EBC 黏結(jié)層材料提供理論與技術(shù)支持。

（4）建立EBC 環(huán)境性能考核評價(jià)體系，研究EBC在模擬發(fā)動機(jī)服役環(huán)境下的高溫組織結(jié)構(gòu)、熱物性與力學(xué)性能、界面應(yīng)力等演變機(jī)理，揭示EBC 損傷失效機(jī)制，進(jìn)而為EBC 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、壽命預(yù)測提供理論指導(dǎo)。