多层结构环境障涂层的关键界面在高温腐蚀环境中的热-化学/热-机械稳定性研究

Environmental barrier coatings (EBC) are key protective materials on the surface of silicon based non-oxide ceramics of hot section components in gas turbine. They improve chemical stability as effective barrier from high temperature and corrosive environment and keep reliable service of the ceramic substrate. Thermo-mechanical stress in the interfaces of multilayered EBC is a main factor of coating failure. An essential way to restrain the stress and improve the interface stability is to understand the relationship between the stress, the environment parameters and the physicochemical properties of interfacial phases, which include crystal structure evolution of the interfaces and diffusion dynamics of the active elements. We propose to predict chemical compatibility of the interfacial phases and stress evolution in the service environment by establishing thermo-chemical/thermo-mechanical models using computational simulation. Tagged element method would be employed to investigate the immigration and diffusion process of elements between interfacial phases in the experimental environment. Besides, appropriate doping to the coating could inhibit the diffusion and strengthen the interface. The potential strengthening mechanism would also be proposed. By this research, correlated conditions of coating failure resulting from the interface instability could be summarized. Moreover, the quantitative expression between interface stability and structure, physicochemical properties of coating materials and environment parameters could be obtained, which could provide certain scientific basis and technical support to improve the stability of EBC during practical service.

环境障涂层（EBC）是燃气轮机陶瓷热端部件表面的关键热防护材料，是提高陶瓷基底在高温腐蚀环境中的化学稳定性，保护其可靠服役的有效屏障。多层结构EBC层间界面的应力是导致涂层失效的一个重要原因。正确理解层间应力与界面物相的理化性质及环境参量间的关系，掌握界面物相结构演变和物相元素扩散动力学规律是抑制应力产生，提升界面稳定性的必要途径。申请人拟采用计算机模拟建立界面热-化学/热-机械应力分析模型，对界面物相在服役环境中的化学相容性和应力演变规律做出合理预测。进而利用标记元素光谱分析法研究实验环境中各层界面物相间的元素迁移和扩散过程，建立物相转变与层间应力变化的关系。通过合理掺杂抑制扩散，强化界面，并提出可能的强化机制。经上述研究可归纳界面失稳导致涂层失效的相关条件和演变过程，获得界面稳定性与材料结构、理化性能和环境参量间的定量表述，为提高EBC在工况条件下的服役寿命提供一定的科学依据与技术支撑

利用环境障涂层降低硅基非氧化物陶瓷材料在发动机服役环境介质中的腐蚀，是发动机热端部件材料研究的热点之一。多层结构EBC层间界面的应力集中是导致涂层失效的一个重要原因。正确理解层间应力与界面物相的理化性质，掌握界面物相及界面微观结构的演变规律，以及界面处元素扩散规律是抑制应力集中，提升界面稳定性的必要途径。（1）本项目通过在Si3N4陶瓷基底上制备Yb2SiO5/莫来石双层结构环境障涂层，研究了高温熔盐腐蚀循环过程中涂层内的残余应力大小和演变。结果表明：在高温熔盐腐蚀考核前，中间莫来石涂层内部呈压应力状态，靠近基体界面处应力最小；在熔盐腐蚀过程中，靠近基体界面处应力发生突变，而靠近面层界面处应力易集中。中间层中的Al元素及面层中的Yb元素在高温熔盐腐蚀条件下互扩散，并在靠近面层界面处生成新相YbAlO3，从而导致界面处应力集中。中间莫来石涂层中SiO2组分的变化是导致涂层中靠近基体界面应力突变的主要原因。（2）为进一步缓解Yb2SiO5/莫来石涂层中的应力，在莫来石涂层中掺入一定量的BSAS，在Si3N4陶瓷基底上制备得到Yb2SiO5/(莫来石+BSAS)环境障涂层。通过改变莫来石与BSAS的组分比例，研究不同的成分配比对界面稳定性的影响。结果表明：在分别含10wt.%、20wt.%、30wt.%及40wt.%BSAS的Yb2SiO5/(莫来石+BSAS)涂层中，含20wt.%BSAS的涂层抵御高温熔盐腐蚀性能最强。因为与其他组分相比，含20wt.%BSAS的涂层在中间层/基底、中间层/面层处的界面稳定性最好。高温腐蚀过程中，中间层内新相的形成，莫来石中SiO2组分的改变以及Ba、Sr、Al元素的向上扩散是导致界面处残余应力增加或释放的主要原因。（3）通过在涂层中添加一定量的稀贵金属（Hf），研究了涂层在高温环境中的抗氧化性能，以及在熔盐腐蚀环境中的耐腐蚀行为，建立了元素添加量与涂层抗氧化、耐腐蚀性能之间的关系，并得出较优掺杂量。稀贵元素在高温循环氧化过程中会部分析出形成氧化物，若氧化物在涂层界面处则能强化界面，若出现在涂层内则会降低其抗氧化性能。