通过现象学模型和机器学习模型预测近β钛合金的热变形行为

《Journal of Alloys and Compounds》：Prediction of near-β titanium alloy hot deformation behavior through phenomenological and machine learning models

GH7C3陶瓷在1200℃和1400℃下经不同比例CMAS/NaVO?混合介质腐蚀测试，发现NaVO3的引入抑制了CMAS自结晶，增强其流动性加速腐蚀，但形成致密萤石相/磷酸盐复合层。1400℃时腐蚀深度显著增加并引发分层剥落，而1200℃腐蚀产物以GdVO4为主。温度升高导致自结晶产物减少，腐蚀速率提升。

　　本研究聚焦于一种新型热障涂层材料——Gd?(Hf?.?Ce?.?)?O?（GH7C3）陶瓷在混合腐蚀介质下的性能表现。为了更全面地理解GH7C3在复杂腐蚀环境中的行为，研究人员设计了五种不同CMAS/NaVO?比例的混合腐蚀体系（CxV10-x，其中x表示CMAS的质量百分比），并在1200°C和1400°C的高温条件下对GH7C3陶瓷块体进行了耦合腐蚀试验。研究结果表明，NaVO?的加入对CMAS的自结晶行为产生了重要影响，其解聚作用增强了CMAS的流动性，从而加速了GH7C3陶瓷的腐蚀过程。此外，研究还发现，不同混合体系中形成的腐蚀产物存在显著差异：在C0V10/GH7C3体系中，主要形成的腐蚀产物是GdVO?；而在其他CxV10-x/GH7C3体系中，主要的腐蚀产物则为羟基磷灰石（apatite）。随着温度升高至1400°C，腐蚀产物的种类基本保持不变，但自结晶产物的数量却显著减少。这一现象表明，温度对CxV10-x/GH7C3体系中自结晶产物的析出具有明显影响。同时，研究还发现，腐蚀温度的升高显著增加了GH7C3陶瓷的腐蚀深度。在1400°C的条件下，出现了贯穿整个厚度的腐蚀现象，并伴随有裂纹和剥落的发生。

热障涂层材料（TBCs）作为一类具有高效隔热性能的陶瓷材料，其发展与高温核心部件技术的进步密切相关。这些部件广泛应用于大型船舶、军用和民用航空航天器以及发电设施中。TBCs因其具备高热稳定性、高热膨胀率、低热导率以及良好的抗腐蚀能力，被广泛用作高温部件表面的保护涂层。这种应用不仅有助于延缓高温气体向基体材料的传递，还能降低基体的工作温度，从而确保涡轮叶片在高温和高速空气流动条件下可靠运行。其中，7-8 wt% Y?O?部分稳定ZrO?（YSZ）是一种广受认可的TBC材料，常采用电子束物理气相沉积或大气等离子喷涂等技术进行制备。然而，航空发动机的工作环境通常极为复杂且恶劣，环境退化是导致TBC失效的关键因素之一。在运行过程中，发动机会摄入大量沙粒、灰尘、火山灰、跑道碎片及其他环境污染物。这些颗粒在高温条件下沉积在涂层表面，形成熔融的钙镁铝硅酸盐（CMAS）。当温度超过1200°C，CMAS开始熔融，并渗透到YSZ涂层的孔隙和微裂纹中。随着稳定剂从YSZ晶粒扩散至熔融的CMAS中，会发生破坏性的四方到单斜相变，伴随着体积膨胀。此外，CMAS在温度超过1200°C时会经历从固态到液态的快速转变，表现出较低的粘度和较高的流动性。这种特性使得CMAS能够迅速润湿陶瓷涂层表面，并进一步渗透到其孔隙和裂纹中。这种渗透会导致YSZ TBC的硬化，加快涂层烧结，降低整体延展性，从而改变其物理性能。具体而言，它会减少TBC的孔隙率，显著增加弹性模量，并降低热膨胀系数（CTE）。这些变化最终导致热应力失配，从而引发TBC的开裂、剥离，甚至剥落。

除了CMAS腐蚀，熔融盐作为另一种腐蚀介质，同样可能对TBCs造成严重损害。例如，当发动机在海洋环境运行或使用低质燃料时，由钠、钒、硫、氯等杂质形成的熔融盐可能会渗透到涂层中，并在高温条件下与涂层发生化学反应，从而引发熔融盐腐蚀。与CMAS相比，复合盐（即CMAS与NaVO?、NaCl等盐的混合物）具有更低的熔点、更低的粘度以及更差的结晶能力。这些特性使得复合盐即使在相对温和的温度下，对涂层的破坏性也更为显著。

目前，缓解CMAS腐蚀的主要策略可以分为两类：①通过涂层表面改性来阻止CMAS的渗透；②通过增强涂层材料与CMAS之间的相互作用，促使快速形成致密的反应层，从而阻止进一步的CMAS渗透。近年来，一些新型涂层材料，如稀土锆酸鹽（RE?Zr?O?）、稀土磷酸鹽（REPO?）和稀土硅酸鹽（RE?SiO?、RE?Si?O?）等，表现出对CMAS腐蚀的优异抗性。然而，稀土锆酸鹽的热膨胀系数（CTE）远低于YSZ，这在一定程度上限制了基于锆酸鹽的TBCs的实际应用。RE?Hf?O?主要以两种晶体结构存在：钙钛矿型和萤石型。它具有较低的热导率，并且在超过1800°C的高温条件下仍能保持良好的相稳定性，因此成为高温TBCs应用的潜在候选材料。RE?Hf?O?能够与CMAS反应，形成致密的羟基磷灰石和萤石相反应层，从而有效防止CMAS的进一步渗透，表现出对CMAS腐蚀的优异抗性。我们的前期研究表明，通过在RE?Zr?O?中掺杂少量CeO?制备的Gd?(Hf?.?Ce?.?)?O?（GH7C3）陶瓷，相较于RE?Zr?O?，表现出更强的CMAS抗腐蚀能力以及更高的热膨胀系数。具体而言，CeO?作为成核剂，显著加速了CMAS/GH7C3体系中羟基磷灰石相的结晶过程，并促进了大量羟基磷灰石晶体的快速形成。这一过程有效固定了Ca2?和Si??离子，从而增加了CMAS熔体的粘度，最终使得GH7C3的CMAS抗腐蚀能力优于Gd?Hf?O?。

由于CMAS-盐复合物对TBCs的腐蚀性显著高于CMAS本身，因此需要特别关注。然而，目前关于GH7C3对CMAS-盐复合物抗性的系统性研究仍然较为缺乏。基于前期研究，本研究进一步将另一种熔融盐腐蚀介质（NaVO?）引入腐蚀体系，并设计了五种具有不同CMAS+NaVO?质量比的混合模拟污染物（CxV10-x）。研究的目标是全面揭示GH7C3陶瓷在CMAS与熔融盐协同作用下的腐蚀机制，这对提升GH7C3陶瓷的性能和实际应用具有重要意义。

为了实现这一目标，本研究采用了一系列实验方法，以系统评估GH7C3陶瓷在不同混合腐蚀体系下的行为。GH7C3陶瓷粉末是通过高温固相反应法合成的。首先，按照GH7C3的化学计量比，精确称量原料（Gd?O?、HfO?和CeO?），然后将其与ZrO?研磨介质在酒精中充分混合。混合后的产物经过行星式球磨处理，随后进行干燥。干燥后的粉末在空气中于1500°C下烧结12小时，以完成固相反应合成。随后，将烧结后的粉体压制成具有盘状形状的绿色坯体。为了进一步研究GH7C3陶瓷在不同混合腐蚀体系下的表现，研究人员还对这些绿色坯体进行了高温环境下的腐蚀测试。通过这些实验，研究人员能够观察到不同混合体系对GH7C3陶瓷的腐蚀作用，并分析其背后的机制。

此外，研究还探讨了CxV10-x体系的特性。图1展示了CxV10-x粉末混合物的差示扫描量热（DSC）曲线。为了研究NaVO?添加对CMAS结晶行为和热性能的潜在影响，本研究选择了两种粉末比例（C9V1和C6V4）进行DSC测试。从图1可以看出，这两种粉末在约613°C时均表现出吸热峰，这可以归因于NaVO?的熔点。由于CMAS玻璃粉末是无定形的，缺乏明确的熔点，因此其熔融范围成为研究的重点。通过分析不同比例的CxV10-x体系的热行为，研究人员能够进一步理解NaVO?对CMAS熔融特性和腐蚀行为的影响。

本研究的结论表明，NaVO?的加入改变了CMAS的自结晶行为，但并未抑制腐蚀产物的形成。其解聚作用增强了CMAS的流动性，从而加速了GH7C3陶瓷在CxV10-x体系中的腐蚀过程。在耦合腐蚀条件下，CxV10-x/GH7C3体系的腐蚀产物表现出显著差异：C0V10体系中主要形成GdVO?，而其他CxV10-x体系中则以羟基磷灰石为主。随着温度升高至1400°C，腐蚀产物的种类基本保持不变，但自结晶产物的数量却显著减少。这表明温度对CxV10-x/GH7C3体系中自结晶产物的析出具有重要影响。同时，腐蚀温度的升高显著增加了GH7C3陶瓷的腐蚀深度。在1400°C的条件下，出现了贯穿整个厚度的腐蚀现象，并伴随有裂纹和剥落的发生。

通过本研究，研究人员不仅深入探讨了GH7C3陶瓷在不同混合腐蚀体系下的表现，还揭示了CMAS与熔融盐协同作用下的腐蚀机制。这一发现对于改进TBCs材料的抗腐蚀性能、延长其使用寿命以及提升其在复杂环境下的稳定性具有重要价值。同时，本研究也为未来TBCs材料的设计和优化提供了新的思路和方向。通过结合不同的腐蚀介质，研究人员能够更全面地评估TBCs材料在实际应用中的性能表现，并为解决高温环境下的腐蚀问题提供理论依据和技术支持。