原文出自 Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊
Cite this article:
Chen L, Li S-W, Li C-J, et al. Reactive self-consumption strategy to suppress SiO₂ phase transition-induced cracking. Journal of Advanced Ceramics, 2025, https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221042
文章DOI：10.26599/JAC.2025.9221042
1、导读
SiO2相变开裂是限制环境障涂层Si粘结层长寿命服役的关键。在本研究中，采用反应自耗和晶格固溶策略来解决这一难题，提出Si-Yb₄Al₂O₉新型双相涂层。通过热生长SiO₂与Yb₄Al₂O₉反应形成Yb₂Si₂O7阻氧层，消耗SiO₂，从而减小SiO₂厚度并降低开裂驱动力。此外，利用Yb₄Al₂O₉中的Al掺入SiO₂晶格使其稳定为高温β-SiO₂，从而消除相变。在1370 °C时，新型双相涂层的氧化寿命是纯硅的20倍，突出了其作为环境障涂层粘结层的潜力。
2、研究背景
碳化硅陶瓷基复合材料(SiC-CMC)正在替代现役镍基高温合金，成为航空发动机热端部件的核心材料。为防止SiC-CMC的剧烈水氧腐蚀，表面必须涂覆由抗水腐蚀面层和抗氧化粘结层构成的环境障涂层。然而，当前纯Si粘结层的氧化速度快，形成的大厚度SiO2氧化膜相变应力大，是限制环境障涂层长寿命服役的瓶颈难题。
为了解决SiO2相变开裂难题，团队先后提出了颗粒愈合处理Si粘结层降低SiO2生长速率(Corros. Commun., 2023, 8: 9-17)、异价离子晶格固溶阻碍减小SiO2相变应力(J. Adv. Ceram., 2024, 13(3): 388−401；J. Eur. Ceram. Soc., 2023, 43(8), 3201-3215；J. Adv. Ceram., 2024, 13(7): 976−986；J. Therm. Spray Technol., 2023, 32: 1811–1827)的策略。本研究在上述研究的基础上，引入反应自消耗策略，促使SiO2转变为低氧扩散、高韧性的Yb2Si2O7，进一步提高涂层抗开裂性能。
3、文章亮点
针对快速生长大厚度SiO2氧化膜导致涂层易开裂剥落的难题，本论文提出粘结层氧化膜“反应自消耗”策略，设计了“Yb4Al2O9+Si”双相粘结层，氧化过程中，SiO2氧化膜上表面局部厚度区与Yb4Al2O9反应形成致密、高韧性的Yb2Si2O7层，从而消耗部分厚度的SiO2氧化膜，大幅降低剩余SiO2氧化膜总厚度；同时，Al离子进入剩余SiO2晶格阻碍相变，消除相变开裂应力，从而实现了可靠抗剥落。使1370℃服役寿命提高到纯Si粘结层的20倍，大幅提升CMC服役性能。
4、研究结果及结论
图1: 展示了反应自消耗策略抑制环境障涂层氧化膜开裂的原理。
图2: 展示了不同氧化时间下，Yb4Al2O9+Si”双相粘结层氧化膜的截面形貌。
图3: 证实了氧化膜中Al掺杂，从而抑制其相变。
图4: 证实了“Yb4Al2O9+Si”双相粘结层的优异抗氧化性能。
图5: 展示了“Yb4Al2O9+Si”粘结层氧化膜界面反应的高分辨透射图像。
5、作者及研究团队简介
研究团队：西安交通大学材料学院热喷涂研究团队，拥有国家级人才3人，国家级青年人才3人。主持承担国家重点研发计划、国家973、预研重点基金、国家科技重大专项、军工863等高温防护涂层和热喷涂技术重点项目百余项，形成了隔热、抗氧化、抗烧蚀、抗冲刷、阻燃、抗粘、可磨耗封严等高温防护涂层体系和制备与试验技术。牵头制定热障涂层服役与寿命评价国家标准1项、参编国家标准和电力行业等标准6项。获国家自然/发明二等奖3项、省部级一等奖6项。团队具备全球最齐全的热喷涂设备和热喷涂层试验考核设备，包括真空等离子物理沉积(PS-PVD)、真空等离子喷涂(LPPS)、超音速火焰喷涂(HVOF)、低温超音速火焰喷涂(LHVOF)、大气等离子喷涂(APS)、大气冷喷涂、真空冷喷涂、热喷涂层专用真空热处理炉、梯度火焰冲刷试验机、CMAS腐蚀冲刷试验机、高低温热震循环试验机、超高温快速烧结炉等大型专用制备和试验考核装备。
第一作者：陈林，西安交通大学 副教授/硕导。迄今发表第一/通讯作者SCI论文25篇，包括Nature子刊Nature Biomedical Engineering 1篇、Corrosion Science 1篇、Journal of Advanced Ceramics 3篇，ESI高被引论文2篇，参与Nature封面论文1篇，单篇最高他引200余次，文章总引用次数超过1800余次，H 因子21。参与编写英文专著1部(Thermal Barrier Coatings. Woodhead Publishing, 2023: 137-198)。获2021年Journal of Advanced Ceramics优秀论文奖。主持国家自然科学基金项目2项，国防科技重点实验室基金1项，博新人才计划1项，JG横向课题7项；参与国家重点研发项目1项。
通讯作者：杨冠军，西安交通大学 教授/博导，发表论文120余篇，H 因子50，授权发明专利50余项，领衔专利转让3900余万元。牵头制定热障涂层领域首项国家标准、参编国家标准和电力行业标准6项，任国家重点研发计划首席，入选国家万人计划青年拔尖人才（首批）、长江学者，获省自然科学一等奖2项。兼任中国硅酸盐学会测试技术分会副理事长、中国腐蚀与防护学会高温专委会副主任、中国稀土学会热防护材料专委会副主任、中国机械工程学会表面工程分会副主任，材料权威期刊JMST期刊编辑、美陶会刊JACerS期刊副编辑、JAC期刊编委。
作者及研究团队在Journal of Advanced Ceramics上发表的相关代表作：
《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介
《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，由清华大学材料学院新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室提供学术支持，主编为清华大学林元华教授、郑州大学周延春教授和广东工业大学林华泰教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，年发文量近200篇，2024年6月发布的影响因子为18.6，位列Web of Science核心合集中“材料科学，陶瓷”学科31种同类期刊第1名。2024年入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目。
期刊主页：https://www.sciopen.com/journal/2226-4108
投稿地址：https://mc03.manuscriptcentral.com/jacer
期刊ResearchGate主页：https://www.researchgate.net/journal/Journal-of-Advanced-Ceramics-2227-8508
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