掺杂硅酸镱环境障涂层的设计及其抗高温水汽腐蚀机制研究

Yb2Si2O7 is one of the most promising environmental barrier coatings (EBCs). However, slow water-vapour volatilization process occurs on Yb2Si2O7 in the high-temperature water-vapour environment. The water-corrosion resistance of Yb2Si2O7 is expected to be further improved by rare earth doping. In addition, the current study on the water-vapour volatilization mechanism stays in the interpretation stage of experimental phenomena, which lacks the nanoscale research on the interaction mechanism between water molecules and Yb2Si2O7 surface. Since the water-vapour volatilization performance is related to the composition, crystal structure and bond strength of the material, this project investigates the influence of rare earth doping on the crystal structure and bond strength of Yb2Si2O7 based on the first principles calculations. Furthermore, the adsorption mechanism of water on the surface of pure Yb2Si2O7 and doped Yb2Si2O7, and the bond strength of Si in the crystal will be investigated. The water vapour volatilization mechanism of Yb2Si2O7 will be studied, and the influence of doping, structure and bond strength on water corrosion performance will be investigated. Based on the above results, combined with the experimental study on the water-vapour volatilization, thermal stability and thermal expansion coefficient of the rare-earth doped Yb2Si2O7, the Yb2Si2O7-based EBCs materials with better performance will be designed. The research outcomes of this project will provide new ideas and scientific foundations for the development of next-generation EBCs materials.

Yb2Si2O7是目前最具潜力的环境障涂层（EBCs）材料之一。然而，其在高温水汽环境下仍存在缓慢腐蚀，其抗水腐蚀性能有望通过稀土掺杂获得进一步提高。此外，目前对Yb2Si2O7水汽腐蚀的研究停留在对实验现象的解释阶段，缺少对水分子与Yb2Si2O7表面相互作用机制的研究。由于水汽腐蚀性能与材料的成分、结构和键强有关，因此，本项目采用第一性原理计算方法，首先分析稀土掺杂对Yb2Si2O7晶体结构和键强的影响规律，然后分析水在纯Yb2Si2O7和掺杂Yb2Si2O7表面的吸附机制，以及其中Si的成键状况。从而，阐明Yb2Si2O7水汽腐蚀的微观机制，揭示掺杂对Yb2Si2O7水汽腐蚀性能的影响规律。基于上述结果，结合对掺杂Yb2Si2O7的水汽腐蚀、热稳定性和热膨胀系数等性能的实验研究，设计具有更好综合性能的EBCs材料。本项目的研究为下一代EBCs材料的开发提供新的思路和科学依据。

环境障涂层（EBCs）是下一代高推重比航空发动机的陶瓷基复合材料（CMC）热端部件不可缺少的关键材料，用于抵御在高温水蒸气环境下对CMC的腐蚀损伤。焦硅酸盐是目前最具应用潜力的环境障涂层材料，稀土元素种类对焦硅酸盐的晶体结构和耐水腐蚀性能有着显著的影响。本项目通过采用多元稀土掺杂手段，设计并制备具有多主元的高熵稀土焦硅酸盐材料，优化其热物理性能及其抗水腐蚀性能。首先，建立纯Yb2Si2O7和多元稀土Yb、Sc, Lu, Tm、Er掺杂的β相结构的焦硅酸盐晶体结构模型，采用第一性原理理论计算方法分析其结构稳定性。研究发现(Lu0.25Yb0.25Tm0.25Sc0.25)2Si2O7四元稀土硅酸盐较其他几种Yb、Sc, Lu, Tm、Er的二、三、四元的稀土硅酸盐更易生成，并且具有良好的化学稳定性。然后采用固相合成法制备了多种多元稀土硅酸盐材料，并分别采用放电等离子烧结（SPS）、无压烧结和大气等离子喷涂（APS）方法制备相应的稀土硅酸盐块材和涂层。研究发现：采用SPS制备的块材元素均匀性不及无压烧结法，另外APS制备的涂层易发生分解。对(Lu0.25Yb0.25Tm0.25Sc0.25)2Si2O7块材的相结构、成分组织、热物理性能和高温水汽腐蚀性能进行了研究。研究发现(Lu0.25Yb0.25Tm0.25Sc0.25)2Si2O7的相结呈现典型的β相焦硅酸盐结构，并且其相结构在高温下能够保持稳定。此外，其热膨胀系数与CMC基体的常见材料SiC和Si3N4都非常接近，说明所合成的多元稀土硅酸盐材料与基体陶瓷具备良好的热匹配性。采用自建高温水腐蚀装置，经1300℃、200小时的高温水腐蚀试验后Yb2Si2O7块材失重为1.09504 mg/cm2，而(Lu0.25Yb0.25Tm0.25Sc0.25)2Si2O7失重仅0.7085mg/cm2，表现出更好的抗高温水腐蚀特性。对腐蚀后的试样表面相组成和元素分布进行分析，并没有发现新相生成，多元稀土硅酸盐优先在晶界处发生分解，SiO2与水反应生成气态的Si(OH)4，产生腐蚀孔洞。本项目探究了加入Yb、Sc, Lu, Tm、Er等多种稀土元素的焦硅酸盐晶体构型，并成功获得一种具有稳定β相结构的高熵稀土硅酸盐材料，该材料展现出的良好的综合性能，有望对未来环境障涂层的研究提供重要参考。