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原文出自 Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊
Cite this article:
Li J, Sun L, Du T, et al. High temperature interaction of Y4Al2O9/Y2O3 under CMAS exposure: mechanism of outstanding corrosion resistance through composition design to accelerate reaction-induced CMAS consumption. Journal of Advanced Ceramics, 2025, https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221106
文章DOI：10.26599/JAC.2025.9221106
1、导读
中国科学院金属研究所王京阳研究员与孙鲁超研究员团队在高温防护涂层领域取得新进展。该团队针对航空发动机热端部件面临的CMAS（钙镁铝硅酸盐）腐蚀难题，基于腐蚀机理研究，创新性地开发出Y4Al2O9/Y2O3复合环境障涂层材料。该材料通过双重作用机制显著提升了抗腐蚀性能：一方面利用高反应性组分主动加速消耗CMAS腐蚀性成分，另一方面同步诱导生成具有连续致密反应产物，提升腐蚀阻隔能力。实验验证，在1300℃及1500℃高温条件，该材料能快速与CMAS熔体反应，以较低的材料损耗生成结晶产物，从而实现CMAS的高效固化。特别值得注意的是，该材料能有效抑制CMAS沿晶界的渗透破坏，展现出优异的CMAS腐蚀抗性。这一成果为新一代高温环境障涂层成分设计提供了创新解决方案和关键材料。
图1 文章图片摘要
2、研究背景
先进航空发动机热端部件的性能提升依赖于SiCf/SiC陶瓷基复合材料与环境障涂层的协同发展。针对航空发动机高温、高压、高腐蚀等极端服役环境对材料性能提出的严峻挑战，近年来在环境障涂层的材料体系设计与制备工艺优化方面开展了大量创新性研究，其中随着航空发动机涡轮前温度的持续提升，环境障涂层的熔点氧化物（CaO-MgO-Al2O3-SiO2，简称CMAS）腐蚀失效问题日益凸显，已成为制约新一代环境障涂层工程化应用的关键技术瓶颈。研究表明，在1500℃及以上高温服役条件下，CMAS熔体通过晶界扩散机制快速渗透至涂层内部，不仅会引发显著的晶界腐蚀，还会导致涂层内部产生微孔洞和热膨胀失配裂纹等缺陷，最终造成涂层的结构完整性和环境障功能的灾难性失效。因此，系统研究1500℃高温环境下具有优异CMAS腐蚀抗性的新型涂层材料及其防护机理，对于深入理解涂层失效机制，开发新一代高CMAS腐蚀抗性环境障涂层具有重要意义
3、文章亮点
1）基于高CMAS反应活性成分设计了Y4Al2O9/Y2O3复合材料，实现了环境障涂层材料在1500℃优异的CMAS腐蚀抗性；
2）Y2O3在反应初期促进磷灰石相快速析出，形成连续致密层延缓反应速率；Y4Al2O9相诱发石榴石相和枪晶石相析出，高效消耗CMAS腐蚀活性成分；
3）验证了通过高效消耗CMAS策略优化涂层材料腐蚀抗性的可行性，为开发具有优异抗CMAS腐蚀性能新型环境障涂层提供了理论依据和实践指导。
4、研究结果及结论
Y4Al2O9/Y2O3复合材料与CMAS在1300℃反应后的产物为磷灰石、石榴石以及CMAS的结晶产物CaAl2SiO7（如图2所示）。
图2 Y4Al2O9/Y2O3复合材料与CMAS在1300℃反应后的（a）XRD图，（b）对数坐标XRD图
与CMAS在1300℃反应后的产物可分为多层，且反应层的厚度及物相组成会随反应时间延长发生变化（如图3所示）。
图3 Y4Al2O9/Y2O3复合材料与CMAS在1300℃反应后的截面扫描图。（a1-d1）反应1小时后的低倍及高倍扫描图，（a2-d2）反应4小时后的低倍及高倍扫描图，（a3-d3）反应25小时后的低倍及高倍扫描图，（a4-d4）反应50小时后的低倍及高倍扫描图
Y4Al2O9/Y2O3复合材料与CMAS在1500℃反应后的产物为磷灰石以及枪晶石，与其在1300℃反应后的产物不同（如图4所示）。
图4 Y4Al2O9/Y2O3复合材料与CMAS在1500℃反应后的XRD图
与CMAS在1500℃反应后的产物可分为多层，且反应层厚度及物相组成会随反应时间延长发生变化，未见CMAS沿晶界渗入涂层内部现象，说明材料在1500℃具有优异CMAS腐蚀抗性（如图5所示）。
图5 Y4Al2O9/Y2O3复合材料与CMAS在1500℃反应后的截面扫描图。（a1-d1）反应1小时后的低倍及高倍扫描图，（a2-d2）反应4小时后的低倍及高倍扫描图，（a3-d3）反应25小时后的低倍及高倍扫描图，（a4-d4）反应50小时后的低倍及高倍扫描图
通过透射电镜对1500℃反应后的第四层反应产物进行了标定，结果显示第四层产物层由石榴石和枪晶石两相组成（如图6所示）。
图6 Y4Al2O9/Y2O3复合材料与CMAS在1500℃反应后的（a）明场像，（b）A相对应的选区衍射图，（c）B相对应的选区衍射图，（d）面扫能谱图
Y4Al2O9/Y2O3复合材料与CMAS在1300℃以及1500℃反应50小时后的衰退层分别为67.4μm和54.7μm（如图7所示），且未见明显的CMAS沿晶界渗入现象。
图7 Y4Al2O9/Y2O3复合材料与CMAS在（a）1300℃反应1小时后，（b）1300℃反应50小时后，（c）1500℃反应50小时后的低倍截面扫描图。
本研究表明，具有高反应性的Y4Al2O9/Y2O3复合材料在高温下具有优异的CMAS腐蚀抗性，是新一代潜在更高温度下环境障涂层的新材料。
5、作者及研究团队简介
李捷（第一作者），中国科学院金属研究所（中国科学技术大学材料与工程学院）在读博士生。主要从事高温极端环境下的环境障涂层材料的研究工作。以第一作者身份在Journal of Advanced Ceramics、Surface & Coatings Technology、Materials & Design、Journal of Inorganic Materials等期刊发表论文。
孙鲁超, 中国科学院金属研究所研究员，主要从事极端环境用结构陶瓷及复合材料研究。主持、参与自然基金委项目、国家重点研发计划项目和中国科学院先导专项等各类项目40余项；研究成果在Nature Communications、Material Research Letter和Scripta Materialia等期刊发表论文60余篇；获授权中国发明专利23项；任中国硅酸盐学会测试技术分会理事会理事、中国复合材料学会陶瓷基复合材料分会委员和《无机材料学报》青年编委等入选辽宁省和沈阳市高层次人才计划。
研究方向：高温结构陶瓷
作者邮箱：lcsun@imr.ac.cn
作者ORCID：https://orcid.org/0000-0003-2570-578X
王京阳，辽宁材料实验室副主任、燃氢防护技术研究所所长，中国科学院金属研究所研究员；从事极端环境用结构陶瓷、复合材料及高温防护涂层的基础研究和工程应用。入选国家级人才计划，当选世界陶瓷科学院院士、美国陶瓷学会会士、欧洲陶瓷学会会士和美国金属学会会士；获Acta Materialia银质奖章、美国陶瓷学会的John Jeppson奖/Samuel Geijsbeek国际奖/桥建奖/全球之星奖等学术奖励；担任或曾担任世界陶瓷科学院论坛主席、美国陶瓷学会的董事/提名委员会委员/工程陶瓷分会主席、欧洲陶瓷学会国际顾问委员、中国复合材料学会陶瓷基复合材料分会副主任、中国稀土学会陶瓷专业委员会副主任和中国物理学会内耗和力学谱分会副主任等学术职务。
研究方向：先进陶瓷、复合材料及高温涂层
作者邮箱：jywang@imr.ac.cn
作者ORCID：https://orcid.org/0000-0002-4748-8512
作者及研究团队在Journal of Advanced Ceramics上发表的相关代表作：
1）Zhang G, Shi J, Zhang J, et al. Investigation on crystallization behavior between (ScxYb1−x)O1.5 and CMAS: A new insight in the effect of Sc substitution. Journal of Advanced Ceramics, 2024, 13(6): 789-799. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220898
2）LV X, YUE M, FENG X, et al. Rare earth monosilicates as oxidation resistant interphase for SiCf/SiC CMC: Investigation of SiCf/Yb2SiO5 model composites. Journal of Advanced Ceramics, 2022, 11(5): 702-711. https://www.sciopen.com/article/10.1007/s40145-021-0560-4
《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，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，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，连续4年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科31种同类期刊第1名；2024年11月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目；2025年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学1区Top期刊。2023年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台SciOpen独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。
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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