【摘 要】
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随着航空发动机推重比的不断攀升,其工作温度远超高温合金的熔点,必须使用热障涂层技术来保护这些热端部件在如此苛刻的环境下高效稳定的服役。近年来,沙尘、山灰、工业废气等以Ca O-Mg O-Al2O3-SiO2（CMAS）为主环境沉积物在高温的协同作用下,会严重侵蚀热障涂层表面的陶瓷层,造成陶瓷层的严重烧结与开裂,极大地降低了热障涂层使用寿命,加剧发动机叶片的失效。Gd2Zr2O7涂层材料,由于其能够
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随着航空发动机推重比的不断攀升,其工作温度远超高温合金的熔点,必须使用热障涂层技术来保护这些热端部件在如此苛刻的环境下高效稳定的服役。近年来,沙尘、山灰、工业废气等以Ca O-Mg O-Al2O3-SiO2（CMAS）为主环境沉积物在高温的协同作用下,会严重侵蚀热障涂层表面的陶瓷层,造成陶瓷层的严重烧结与开裂,极大地降低了热障涂层使用寿命,加剧发动机叶片的失效。Gd2Zr2O7涂层材料,由于其能够与CMAS快速反应形成致密的磷灰石相阻挡层,是最有前景的下一代热障涂层材料之一。论文采用预腐蚀的工艺,通过预设计的粉末Al2O3-TiO2-SiO2-Ca O-Gd2O3（ATSCG）以及Al2O3-TiO2-SiO2-Ca O-Gd2O3-Y2O3（ATSCGY）涂覆至Gd2Zr2O7块体表面,进行预腐蚀煅烧,随后进行CMAS高温腐蚀试验。研究了预腐蚀温度和成分对抗CMAS渗透腐蚀性能的影响、并对其CMAS渗透行为腐蚀机理进行分析。其主要结论如下:（1）开展了ATSCG-Gd2Zr2O7的1250℃下3 h的CMAS高温腐蚀实验,研究其腐蚀行为与机理。结果表明:在900℃-1300℃范围内,ATSCG-Gd2Zr2O7抗CMAS高温腐蚀性能随着预腐蚀温度的升高呈现先提高后降低的趋势,其最佳的预腐蚀温度为1100℃,反应层深度为48.21μm。ATSCG-Gd2Zr2O7与CMAS反应生成的高熔点稳定的磷灰石相Ca2Gd8（SiO4）6O2和钙长石相Ca Al2Si2O8所构成的阻挡反应层,提高了上反应层的致密度,从而封堵CMAS的扩散通道,限制了CMAS熔体的渗透。此外,ATSCG中Ti元素在反应初期生成的钛酸盐,主要分布在反应层的上反应层区域,为CMAS的自结晶行为以及磷灰石相、钙长石相等结晶相的形成提供了有益的成核条件。（2）开展了ATSCGY-Gd2Zr2O7的1250℃下3 h的CMAS高温腐蚀实验,研究其腐蚀行为与机理。结果表明:在900℃-1300℃范围内,ATSCGY-Gd2Zr2O7的抗CMAS高温腐蚀性能随着预腐蚀的温度呈现先提高后降低的趋势,其最佳的预腐蚀温度为1200℃,反应层深度为26.39μm。Y元素形成了富Y磷灰石相为主的反应带主要富集在反应层的上界面,可以作为抑制CMAS扩散的阻挡层,并减少原始的Gd2Zr2O7基体中Gd元素的消耗。除此之外,Y元素与CMAS能够形成富Y的石榴石相也是抗CMAS性能提升的重要因素。（3）开展了Gd2Zr2O7、1100℃-ATSCG-Gd2Zr2O7、1200℃-ATSCGY-Gd2Zr2O7的长时间CMAS腐蚀及相关物理性能研究。结果表明:CMAS腐蚀渗透处于三个阶段:前期-快速渗透反应阶段,增速很快;中期-稳定渗透阶段,增速稳定,几乎不变;后期-抑制CMAS渗透阶段,其增速缓慢。预腐蚀之后的试样在腐蚀全阶段的反应层的增速均小于Gd2Zr2O7。由于ATSCGY中期稳定渗透阶段的增速最慢,其抗CMAS腐蚀效果最为明显。断裂韧性及硬度测试表明,使得预腐蚀之后的试样具有更好的抗CMAS冲蚀性能。高温润湿性测试表明,由于预腐蚀之后的试样由亲CMAS状态变成疏CMAS状态,高温接触角的提升归因于其表面化学成分的改变,这也是抗CMAS性能提高的因素。
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