SiO2-Al2O3-CaO-MgO-Na2O体系粘度建模及其在CMAS腐蚀中的关键作用研究

为解决热障涂层(TBCs)在高温CMAS(钙镁铝硅酸盐)腐蚀中因熔体粘度变化导致的渗透失效问题，研究人员采用CALPHAD方法建立了五元体系粘度模型，引入Q4和NaAlO2络合物描述SiO2聚合和铝钠协同效应，成功预测典型CMAS成分在腐蚀反应前后的粘度变化规律，为设计抗腐蚀涂层提供关键科学依据。

　　

在航空发动机高温环境下，热障涂层(TBCs)常因吸入沙尘等环境颗粒物而形成CMAS(Calcium-Magnesium-Alumino-Silicate)熔体，导致涂层快速失效。其中熔体粘度是影响CMAS渗透行为的关键因素，但多组分体系的粘度变化规律尚不明确，传统模型难以描述SiO₂富集区域的粘度突变现象。

国内某研究机构的研究人员通过CALPHAD(Calculation of Phase Diagrams)方法，创新性地建立了SiO₂-Al₂O₃-CaO-MgO-Na₂O五元体系的粘度数据库。研究引入聚合态SiO₂(Q⁴)和NaAlO₂络合物，采用Arrhenius方程描述纯组分粘度，通过优化62个二元和三元子系统的参数，成功预测了四元及以上体系的粘度行为。该成果发表于《Journal of Materials Research and Technology》，为理解CMAS腐蚀机制提供了量化工具。

关键技术包括：(1)采用旋转粘度计和纤维伸长法测量高温熔体粘度；(2)通过反向共沉淀法制备ZrO₂-(Y,Gd)O_1.5-TaO_2.5热障氧化物；(3)利用场发射扫描电镜(FE-SEM)结合能谱(EDS)分析腐蚀产物；(4)基于Hill函数拟合SiO₂聚合浓度分布。

【研究结果】

1. 粘度模型构建：
   单组分体系采用Arrhenius方程拟合，SiO₂熔体粘度高达10⁵ Pa·s(2273K)。二元体系中，SiO₂-Me_xO_y在富SiO₂端出现粘度突变，通过分离理想粘度和过量粘度分量，使SiO₂-CaO体系计算误差<5%。

2. 三元体系验证：
   SiO₂-Al₂O₃-Na₂O体系在Al₂O₃/Na₂O≈1时出现粘度峰值，引入NaAlO₂络合物后无需额外参数即可准确拟合实验数据。

3. CMAS腐蚀行为：
   腐蚀反应消耗CaO生成磷灰石(Ap)或消耗SiO₂形成烧绿石(P)，导致熔体组分变化。典型CMAS(C₃₃M₉A₁₃S₄₅)与Y₆₀Ta₂₀Zr₂₀O₁₇₀反应后，SiO₂含量增加10mol%，粘度提升2倍；而与Gd₂Zr₂O₇反应则因Ap大量生成导致粘度下降。

【结论与意义】
该研究首次建立了涵盖五元氧化物体系的CMAS粘度预测模型，揭示SiO₂含量是控制熔体粘度的主导因素。当SiO₂>60mol%时，粘度呈指数增长；而Al₂O₃在低SiO₂条件下通过电荷补偿效应显著影响粘度。腐蚀产物类型决定粘度变化方向：烧绿石(P)相形成会提高粘度，而磷灰石(Ap)相则相反。这些发现为设计"粘度自适应"热障涂层提供了理论依据，通过调控涂层成分诱导生成Ap相，可有效降低CMAS熔体渗透性。该数据库已集成Python计算模块，可实现不同温度-成分组合的粘度快速预测。