凝固提拉法制备Si/Si-MoSi2粘结层：通过微观结构调控提升环境障涂层抗氧化性能的研究

为解决航空发动机SiC-CMCs热端部件在高温水氧环境下的腐蚀问题，研究人员通过凝固提拉法制备了高致密性Si/Si-MoSi2粘结层。研究发现，MoSi2的引入可有效抑制热生长氧化物（TGO）裂纹扩展，通过形成簇状SiO2密封裂纹并阻隔氧渗透，显著提升涂层在1400°C静态氧化及1300°C水氧腐蚀环境下的抗氧化性能。

　　

航空发动机热端部件在高温环境中面临严峻挑战，燃料燃烧产生的水蒸气会导致碳化硅-碳纤维增强复合材料（SiC-CMCs）发生水氧腐蚀，生成挥发性Si(OH)₄，进而引发材料性能退化甚至失效。为延长SiC-CMCs的使用寿命，环境障涂层（EBCs）应运而生。典型的EBCs结构包括粘结层和陶瓷面层，其中粘结层的性能直接影响涂层与基体的结合强度和热膨胀匹配度。然而，传统大气等离子喷涂（APS）制备的硅粘结层存在致密性不足、孔隙和裂纹等问题，制约了其防护效果。因此，开发新型制备工艺以提升硅粘结层性能具有重要意义。

本研究采用凝固提拉法在SiC基体上制备高致密性硅基粘结层，通过引入MoSi₂组分优化涂层成分，系统评价了Si涂层和Si-MoSi₂复合涂层在高温静态氧化和水氧腐蚀环境下的行为与性能。论文发表于《Surface and Coatings Technology》，为高性能EBCs的设计提供了新思路。

研究主要采用以下技术方法：以SiC块体为基材，通过感应熔炼和晶体生长炉进行涂层制备；利用X射线衍射（XRD）分析相组成，扫描电子显微镜（SEM）及能谱仪（EDS）观察涂层形貌与元素分布；开展1400°C静态氧化（100小时）和1300°C水氧腐蚀（90% H₂O-10% O₂，60小时）实验评估抗氧化与耐腐蚀性能。

3.1. Si与Si-MoSi₂复合涂层的相组成与微观形貌

通过XRD分析发现，纯Si涂层主要由结晶硅组成，结晶度较高；而Si-MoSi₂涂层则包含Si和MoSi₂两相，MoSi₂衍射峰强度随Mo含量增加而增强。表面形貌观察显示，凝固提拉法制备的涂层无APS常见的半球状凸起，表面更平整。Si-MoSi₂涂层中存在块状MoSi₂和Si-MoSi₂共晶结构，共晶界面可消散热应力并抑制裂纹扩展。截面分析表明，涂层厚度随提拉速度增加而减小，且Si-MoSi₂涂层厚度高于纯Si涂层，Mo含量影响熔体流动性进而调控涂层结构。

3.2. 1400°C下Si涂层与Si-MoSi₂复合涂层的静态腐蚀

静态氧化实验表明，Si-MoSi₂涂层表面生成簇状SiO₂，可填充TGO层微裂纹（尺寸300–600 nm），而纯Si涂层裂纹尺寸更大（≥637 nm）。MoSi₂氧化生成MoO₃和SiO₂，但MoO₃在高温下挥发留下孔隙。氧化反应路径复杂，涉及MoSi₂→Mo₅Si₃→MoO₃/SiO₂等多步转化。Gibbs自由能计算表明，富氧条件下反应更易生成SiO₂和挥发性MoO₃。截面形貌显示，Si-MoSi₂涂层的TGO层更薄且裂纹更少，抗氧化性能优于纯Si涂层（质量损失率：Si涂层3.2%，MS0.95样品1.8%）。

3.3. 1300°C下Si-MoSi₂涂层的水氧腐蚀

水氧腐蚀后，XRD检测到MoSi₂、Si和SiO₂相，MoO₃衍射峰较弱。表面出现蠕虫状SiO₂物质（O: 56.13%, Si: 35.86%），可流动填充裂纹。截面分析发现TGO层厚度为10–18 μm，MoSi₂在TGO/粘结层界面富集成簇，减少Si/TGO接触面积，阻隔氧内渗。MS0.95样品表现最佳，TGO层最薄（≤10 μm）且无穿透性裂纹，而MS0.90样品因存在穿透裂纹导致腐蚀加剧。

研究结论表明，凝固提拉法制备的Si-MoSi₂复合涂层具有高致密性和优异抗氧化性。MoSi₂的引入通过形成共晶结构细化晶粒、分散热应力，其氧化生成的簇状SiO₂可有效密封裂纹，降低氧渗透。在1400°C静态氧化和1300°C水氧腐蚀环境下，涂层均表现出良好的耐久性，尤其MS0.95组分（Si/(Mo+Si)=0.95）性能最优。该研究为航空发动机EBCs的设计提供了新策略，通过微观结构调控提升了涂层在极端环境下的服役可靠性。