研究Gd?(Hf?.?Ce?.?)?O?陶瓷对CMAS+NaVO?腐蚀的耐蚀性

《Journal of Alloys and Compounds》：Investigation of corrosion resistance of the Gd 2(Hf 0.7Ce 0.3) 2O 7 Ceramic against CMAS+NaVO 3

GH7C3陶瓷在五种CMAS/NaVO?混合腐蚀介质中经1200℃和1400℃耦合测试，发现NaVO?促进CMAS熔融并加速腐蚀，产物以GdVO?和萤石-磷酸盐为主，高温下腐蚀深度显著增加并引发涂层开裂剥落。

　　本研究围绕一种名为GH7C3的陶瓷材料展开，旨在探讨其在不同混合腐蚀介质中的腐蚀行为。GH7C3是一种基于Gd?(Hf?.?Ce?.?)?O?的陶瓷材料，其特性使其在高温环境中具有广泛的应用潜力。在航空发动机、燃气轮机等高温设备中，这类材料通常作为热障涂层（Thermal Barrier Coatings, TBCs）的组成部分，用于隔绝高温热源对基体材料的直接作用，从而提高设备的耐热性和使用寿命。然而，在实际运行过程中，这些高温设备往往会接触到复杂的腐蚀性环境，例如飞溅的沙粒、火山灰、金属粉尘以及各种盐类物质。这些物质在高温下可能熔融并渗透到涂层内部，导致涂层性能的下降甚至失效。因此，研究GH7C3在混合腐蚀介质中的行为，对于提升其在高温环境下的应用价值具有重要意义。

在本研究中，设计了五种混合腐蚀介质，其组成分别为CxV10-x，其中x代表CMAS（钙镁铝硅酸盐）与NaVO?（偏钒酸钠）的质量比。通过在1200°C和1400°C两个温度条件下进行耦合腐蚀实验，研究者希望揭示NaVO?对CMAS腐蚀行为的影响，以及不同温度下腐蚀产物的形成与变化。实验结果表明，NaVO?的引入显著改变了CMAS的自结晶行为。其解聚作用提高了CMAS的流动性，从而加快了GH7C3陶瓷的腐蚀过程。这说明，在混合腐蚀介质中，NaVO?不仅促进了CMAS的渗透，还增强了其对陶瓷材料的侵蚀能力。

在腐蚀产物方面，研究者观察到了显著的差异。在C0V10（即纯CMAS）与GH7C3的系统中，主要形成的腐蚀产物为GdVO?（钒酸钆）。而在其他CxV10-x系统中，主要的腐蚀产物则为磷酸盐类物质，即apatite（羟基磷灰石）。这一现象表明，NaVO?的加入不仅影响了腐蚀产物的种类，还可能改变了腐蚀反应的路径。例如，NaVO?可能促进了某些化学反应的发生，从而导致不同类型的腐蚀产物形成。此外，随着温度的升高，腐蚀产物的种类变化不大，但其数量却显著减少。这表明，在较高的温度条件下，腐蚀产物的生成可能受到某些物理或化学因素的限制，例如反应速率、结晶条件或物质的挥发性等。

值得注意的是，当温度升高至1400°C时，GH7C3陶瓷的腐蚀深度显著增加，并且出现了贯穿厚度的腐蚀现象，伴随着裂纹和剥落的出现。这一结果揭示了温度对GH7C3陶瓷腐蚀行为的重要影响。在高温条件下，腐蚀介质的流动性增强，渗透能力提高，导致陶瓷材料的腐蚀速率加快。同时，高温还可能促使某些腐蚀产物的快速结晶或扩散，从而加剧了材料的破坏。这种现象在航空发动机和燃气轮机等高温设备中尤为重要，因为这些设备通常需要在极高的温度下运行，而腐蚀问题可能直接影响其性能和寿命。

研究者进一步指出，虽然GH7C3在CMAS腐蚀中表现出优异的性能，但其对复合盐类的耐受性仍需深入探讨。在实际应用中，高温设备可能同时受到多种腐蚀介质的影响，例如CMAS与NaVO?、NaCl等盐类的混合。这些复合盐类通常具有更低的熔点、更小的粘度以及更弱的结晶能力，使其在相对较低的温度下就能对陶瓷材料产生显著的腐蚀作用。因此，研究GH7C3在复合盐类腐蚀下的表现，有助于全面评估其在复杂环境中的适用性。

在实验方法方面，GH7C3陶瓷粉末的合成采用了高温固相反应法。首先，按照GH7C3的化学计量比精确称量Gd?O?、HfO?和CeO?等原料，然后将这些原料与ZrO?研磨介质混合，使用酒精作为分散剂。混合后的粉末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。烧结后的粉末被压制形成圆盘状的绿色坯体，作为后续腐蚀实验的样品。这种合成方法确保了GH7C3陶瓷粉末的均匀性和高质量，为后续实验提供了可靠的材料基础。

为了更深入地了解NaVO?对CMAS行为的影响，研究者对CxV10-x粉末混合物进行了差示扫描量热分析（DSC）。图1展示了CxV10-x粉末的DSC曲线。研究选择了两种不同比例的粉末，即C9V1（CMAS占90%，NaVO?占10%）和C6V4（CMAS占60%，NaVO?占40%），进行DSC测试。结果表明，这两种粉末在约613°C时均表现出吸热峰，这与NaVO?的熔点一致。由于CMAS玻璃粉末本身是无定形的，没有明显的熔点，因此其熔融范围可能与NaVO?的熔点相关。这一发现表明，NaVO?的加入可能改变了CMAS的熔融行为，使其在较低的温度下更容易发生熔融和渗透，从而对GH7C3陶瓷造成更大的损害。

此外，研究者还探讨了NaVO?对CMAS自结晶行为的影响。自结晶是指在高温条件下，熔融的腐蚀介质在陶瓷材料表面或内部形成晶体结构的过程。这一过程不仅影响腐蚀介质的流动性，还可能改变其与陶瓷材料的相互作用方式。例如，自结晶的形成可能会阻碍腐蚀介质的进一步渗透，从而降低其对陶瓷材料的腐蚀能力。然而，实验结果表明，NaVO?的加入反而增强了CMAS的自结晶能力，导致其在GH7C3陶瓷表面形成更丰富的晶体结构。这可能是因为NaVO?的引入促进了某些化学反应的发生，从而改变了CMAS的结晶路径。这种增强的自结晶行为可能进一步增加了CMAS对GH7C3陶瓷的腐蚀作用，因为晶体结构的形成可能伴随着体积膨胀和局部应力的产生，从而加速了材料的破坏。

在实际应用中，GH7C3陶瓷的腐蚀行为不仅受到腐蚀介质种类和比例的影响，还受到温度、湿度、气体成分等环境因素的制约。例如，在高温环境下，腐蚀介质的熔融温度可能更低，导致其更容易渗透到陶瓷材料内部。此外，高温还可能促进某些化学反应的发生，例如氧化还原反应或离子迁移，这些反应可能进一步加剧材料的腐蚀。因此，在设计和优化GH7C3陶瓷材料时，需要综合考虑这些因素，并采取相应的防护措施。

为了更好地应对复合盐类腐蚀，研究者提出了一些改进策略。首先，可以通过表面改性技术来增强GH7C3陶瓷的抗渗透能力。例如，可以在陶瓷表面引入一层致密的保护层，以减少腐蚀介质的直接接触。这种保护层可以由高熔点的氧化物或复合材料构成，从而在高温下仍能保持其结构完整性。其次，可以通过增强GH7C3陶瓷与腐蚀介质之间的反应能力，促进快速形成致密的反应层。这种反应层可以有效地阻止腐蚀介质的进一步渗透，从而延长涂层的使用寿命。此外，还可以考虑引入其他耐腐蚀材料，例如稀土磷酸盐或稀土硅酸盐，以提高GH7C3陶瓷的整体性能。

从材料科学的角度来看，GH7C3陶瓷的腐蚀行为不仅涉及化学反应，还可能受到物理机制的影响。例如，在高温条件下，腐蚀介质可能通过毛细作用渗透到陶瓷材料的微孔和裂纹中，导致材料的结构破坏。此外，由于GH7C3陶瓷的热膨胀系数（CTE）较高，其在高温下的热应力变化可能更加显著，从而加剧了材料的裂纹扩展和剥落。因此，在设计GH7C3陶瓷材料时，需要充分考虑其热力学特性，并通过合理的材料配比和结构设计来优化其性能。

综上所述，本研究通过系统分析GH7C3陶瓷在不同混合腐蚀介质中的行为，揭示了NaVO?对CMAS腐蚀能力的影响机制。研究结果表明，NaVO?的加入不仅改变了CMAS的自结晶行为，还显著增强了其对GH7C3陶瓷的腐蚀作用。在高温条件下，这种腐蚀效应更加明显，导致GH7C3陶瓷的腐蚀深度增加，并出现贯穿厚度的腐蚀现象。这些发现为未来GH7C3陶瓷材料的优化设计和实际应用提供了重要的理论依据和实验数据支持。通过进一步研究复合盐类腐蚀的机制，可以为高温设备的防护设计提供更加全面的解决方案，从而提高其在复杂环境中的可靠性和使用寿命。