中科院上硅所Adv. Sci. 多组分高熵RETaO4 热障涂层CMAS腐蚀机理与耐腐蚀性能突破

2025-09-15 16:02:00 作者：材料强化与防护来源：材料强化与防护分享至：

航空发动机在运行时会产生极高的温度，这样的温度对于大部分材料体系而言是毁灭性的，即便是高温合金长期在这样的温度下运行也会大幅缩减其使用寿命，为了缓解这一问题，研究人员们开发出了一种热障涂层（TBCs），TBC本质上是陶瓷涂层，将其沉积在基体的表面可以有效隔热，降低基地材料的温升。但TBC材料在1300 ℃以上高温环境下易受钙镁铝硅酸盐（CMAS）腐蚀而失效，目前传统的钇安定氧化锆（YSZ）材料在高温下也存在着相变和热导率较高等问题。RETaO₄陶瓷因其超低热导率(1.3 W·m-1·K-1)、优异高温稳定性和铁弹性增韧机制成为新一代TBC候选材料，但其CMAS腐蚀机制尚不明确，制约了通过组分优化设计高性能涂层的进程。

中科院上海硅酸盐研究所研究团队于2025年7月在《Advanced Science》期刊上发表了题为“Unveiling the Corrosion Mechanisms of High-Entropy RETaO₄ Through In Situ Observation”的创新性研究论文。团队通过原位观测技术首次揭示了多组分RETaO₄高熵陶瓷的CMAS腐蚀机制，发现六组分La_1/6Nd_1/6Sm_1/6Eu_1/6Gd_1/6Dy_1/6TaO₄具有最佳的耐腐蚀性能，腐蚀层厚度仅58.5 μm（1300℃/10h），且能避免元素偏聚和局部渗透现象，为新一代耐腐蚀热障涂层的设计提供了关键理论基础。

文章链接：

https://doi.org/10.1002/advs.202509828

【核心内容】

在这项研究中，团队系统地研究了多组分RETaO₄的CMAS腐蚀行为，主要腐蚀产物为烧绿石(Ca_2-a-bRE_aAl_b)(Ta_2-c-dMg_cSi_d)O₇和少量磷灰石(Ca₂RE₈(SiO₄)₆O₂)，在整个腐蚀过程中，烧绿石一直充当中间屏障，有效地阻止了CMAS与RETaO₄的直接接触，其中元素扩散控制了烧绿石的成核和从RETaO₄到烧绿石的相变，六组分La_1/6Nd_1/6Sm_1/6Eu_1/6Gd_1/6Dy_1/6TaO₄表现出最理想的耐蚀性。

【研究方法】

该研究采用固相法制备了8种多组分RETaO₄陶瓷，初始材料为RE2O3和Ta2O5粉末组成，以乙醇和氧化锆球为分散介质，将均质化和干燥后的粉末进行筛分后在200MPa压力下冷压，在马弗炉中以1500℃下烧结5小时后在1600℃下烧结10小时得到陶瓷样品。同样采用固相法合成CMAS粉末，将CMAS粉末与乙醇混合均匀涂抹在陶瓷块上，通过反复涂布和干燥循环，将CMAS浓度校准为≈30mg cm⁻²，随后在1200-1300℃的空气气氛下加热，进行CMAS腐蚀试验。利用原位XRD和原位TEM对预腐蚀加热阶段的动态腐蚀反应进行实时表征，结合FIB制样和TEM-EBSD-EDS联用，对腐蚀后的微观结构进行分析，系统表征不同组分材料在1300℃下10-50小时的腐蚀行为。

基于稀土元素选择的多组分RETaO4块体的相结构和成分

【研究成果】

① 原位揭示腐蚀动态过程

通过原位XRD分析发现，在1250℃以下CMAS未完全熔融时腐蚀反应已开始，传统的溶解-再沉淀机制无法解释此现象，原位TEM观测显示腐蚀前沿形成连续的烧绿石隔离层，阻止了CMAS与RETaO₄的直接接触。

RETaO4与CMAS原位腐蚀的结构和成分表征

② 烧绿石成核机制解析

HRTEM和SADE分析证实腐蚀前沿存在晶格畸变区，表明RETaO₄通过元素扩散相变为细长紧密排列的烧绿石，并形成了连续的屏障层，厚度<5μm，且晶粒取向与底层烧绿石层一致。

CMAS腐蚀初期烧绿石的成核机制

③ 长期腐蚀行为与机制

1300℃下50小时腐蚀实验显示腐蚀层厚度增至115.1μm，但腐蚀前沿仍保持连续界面。烧绿石晶粒随腐蚀时间持续长大，旧前沿处晶粒尺寸可达微米级，而新形成的腐蚀前沿晶粒尺寸都小于1μm，证实了反应-扩散机制的持续进行。

RETaO4在1300 ℃下长时间腐蚀结果

八种RETaO₄经CMAS腐蚀后表面的XRD图谱

④ 元素行为与优选组分

烧绿石结构中元素占位分析显示，半径较小的元素（Ta、Si、Al）优先占据[BO6]位点，离子半径大的元素（Ca、RE、Mg）则选择性占据[AO8]位点，La³⁺优先扩散进入CMAS熔体，而中等尺寸的离子（Sm³⁺、Eu³⁺、Gd³⁺）在烧绿石中显著富集，六组分RETaO₄因具有足够混熵形成单相，展现出最优耐腐蚀性能。