高熵稀土二硅酸盐环境障涂层在SiC包覆C/C复合材料中的卓越CMAS腐蚀抗性研究

为解决航空发动机热端部件在高温复杂环境中面临的CMAS熔融腐蚀问题，研究人员通过等离子喷涂技术制备了高熵(5RE0.2)2Si2O7和Yb2Si2O7环境障涂层(EBCs)。研究发现，高熵设计通过缓扩散效应和稀土离子半径调控，形成致密磷灰石-石榴石交错反应层，使腐蚀层厚度降低44%（1500℃/1h），并在20小时腐蚀后仍保持防护效果，为下一代EBCs设计提供了理论支撑。

　　

航空发动机的“铠甲”正面临严峻挑战。当飞机穿越富含火山灰或沙漠尘埃的空域时，这些颗粒物在超过1200℃的高温下会熔融形成钙镁铝硅酸盐(CMAS)玻璃体，像“酸液”般侵蚀发动机热端部件的保护层。传统碳/碳(C/C)复合材料虽具有轻质高强的优势，但其在高温氧化环境中会快速失效，即便采用SiC涂层防护，仍难以抵御CMAS的渗透腐蚀。这一难题严重制约着航空发动机性能的提升。

针对这一瓶颈，中国科学院上海硅酸盐研究所的研究人员将高熵合金的设计理念引入环境障涂层(EBCs)领域，创新性地开发出(Yb_0.2Lu_0.2Er_0.2Tm_0.2Sc_0.2)₂Si₂O₇（简称(5RE_0.2)₂Si₂O₇）高熵稀土二硅酸盐涂层。通过超音速大气等离子喷涂(SAPS)技术在SiC包覆的C/C复合材料表面制备涂层，系统比较了其与传统Yb₂Si₂O₇涂层在1500℃极端温度下的CMAS腐蚀行为。研究发现，高熵设计使涂层的腐蚀层厚度从90±15μm降至50±12μm（1小时腐蚀），且在20小时长时间腐蚀后仍保持结构完整，相关成果发表在《Surface and Coatings Technology》。

研究团队采用三项关键技术：1）通过固相反应法制备高熵粉体；2）采用超音速大气等离子喷涂(SAPS)在SiC改性C/C复合材料上制备涂层；3）运用X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)分析腐蚀产物的物相演变与微观结构。

微结构表征
XRD分析显示，(5RE_0.2)₂Si₂O₇涂层呈现单斜β晶型结构，与Yb₂Si₂O₇（PDF#25-1345）空间群一致。热处理后涂层结晶度显著提升，为后续腐蚀测试奠定基础。

腐蚀行为对比
在1500℃/1h腐蚀实验中，高熵涂层的腐蚀层厚度较传统涂层减少44%。延长腐蚀至20小时后，Yb₂Si₂O₇涂层完全失效，而高熵涂层仍保持有效防护。

反应机制解析
通过四步化学反应揭示了腐蚀过程：1）二硅酸盐与CaO反应生成磷灰石(Ca₂RE₈(SiO₄)₆O₂)；2）单硅酸盐与硅灰石反应；3）稀土氧化物与硅酸盐反应；4）形成石榴石(RE₃Al₅O₁₂)。高熵设计通过“缓扩散效应”延缓元素迁移，同时减小的平均稀土离子半径促进致密反应层形成。

这项研究证实，高熵工程可显著提升稀土二硅酸盐涂层的CMAS腐蚀抗性。其创新性体现在：1）首次将Sc元素引入高熵稀土体系；2）阐明离子半径与腐蚀行为的构效关系；3）为航空发动机EBCs设计提供新思路。该成果不仅解决了CMAS腐蚀这一工程难题，更为开发新型高熵陶瓷材料开辟了道路，对推动我国航空发动机技术发展具有重要战略意义。