西工大蘇海軍團隊《Corrosion Science》：定向凝固Al2O3/YAG共晶陶瓷在1300-1500℃耐CMAS蝕性

1、背景介紹

隨著先進渦輪發動機的不斷發展，渦輪入口溫度（TIT）已提升至1600°C以上，這對開發新一代高溫結構材料提出了迫切需求。定向凝固共晶陶瓷（DSEC）在高溫氧化環境中表現出優異的熱化學穩定性，并具有保持高溫強度和抗蠕變能力的顯著特性。定向凝固Al2O3/YAG共晶陶瓷因其在高溫下優異的力學性能，被認為是未來燃氣發動機熱端部件（如燃燒室襯里、噴嘴和環境屏障涂層）的理想材料。然而，發動機熱端部件不僅需要具有優異的高溫力學性能，還要經受極端燃燒環境下的長期耐腐蝕考驗，特別是高溫下空氣中的硅酸鹽顆粒（如飛灰、沙漠沙、火山灰和跑道碎片）會導致嚴重的鈣鎂鋁硅酸鹽（CMAS）腐蝕，從而對渦輪造成重大損害。因此，評估定向凝固Al2O3/YAG共晶陶瓷的高溫抗CMAS腐蝕特性對于高溫渦輪部件的材料選擇至關重要。

2、成果簡介

近日，西北工業大學蘇海軍教授團隊報道了定向凝固Al2O3/YAG共晶陶瓷在1300-1500℃高溫下的耐CMAS腐蝕特性及機理。通過Czochralski技術制備了定向凝固Al2O3/YAG共晶陶瓷，并在1300°C-1500°C的高溫下研究了其CMAS腐蝕抗性。結果表明，在1300°C下腐蝕100小時后未觀察到腐蝕痕跡；在1400°C和1500°C下腐蝕50小時后，腐蝕深度分別為306 μm和316 μm，但腐蝕速率并未顯著提高。腐蝕抗性歸因于穩定的相界面抑制CMAS滲透、元素擴散調節CMAS腐蝕活性以及形成連續致密的石榴石層。相關工作以題為“CMAS corrosion resistance and mechanism of directionally solidified Al2O3/YAG eutectic ceramics at high temperatures of 1300–1500 ℃”的研究論文發表在Corrosion Science, 2025, 248: 112793上。

論文連接：

https://doi.org/10.1016/j.corsci.2025.112793

3.圖文解析

• 腐蝕產物與相組成演變

如圖1所示，在不同溫度不同腐蝕時間下，CMAS腐蝕的Al2O3/YAG共晶陶瓷表面生成了四種不同形貌和對比度的新相。首先通過XRD及EDS對生成的新相進行初步成分判定，再通過圖2和圖3的TEM分析，確定生成的新相分別為石榴石（YAG）、尖晶石（MgAl2O4）和鈣長石（CaAl2Si2O8）相。

圖1 （a1-a4）1300 ℃，（b1-b4）1400 ℃，（c1-c4）1500 ℃條件下CMAS腐蝕（a1-c1）4 h，（a2-c2）16 h，（a3-c3）50 h，（a4-c4）100 h后Al2O3/YAG共晶陶瓷表面的掃描電鏡圖像

圖 2 B、C相的TEM分析：(a) CMAS與B和C相的交界處的HAADF圖像，(b) a 圖的元素組成圖及EDS數據，(c-e) CMAS、B、C各相的衍射斑點，(f) 三相的傅里葉變換典型高分辨率TEM圖

圖3 A相的TEM分析：(a) CMAS與A相的交界處的HAADF圖像，(b) (a)的元素組成圖及EDS數據，(c-d)A相和CMAS的衍射斑點，(e) 兩相的傅里葉變換典型高分辨率TEM圖像

• 腐蝕動力學與界面行為

圖4展示了1300°C條件下腐蝕100小時后試樣橫截面的微觀形貌，未觀察到明顯的腐蝕痕跡，界面處僅形成薄層Mg富集區，腐蝕深度（83 μm）和速率（0.16 μm/h）極低。

圖 4 1300 ℃不同時間CMAS腐蝕橫截面：(a1) 4 h，(a2) 16 h，(a3) 50 h，(a4) 100 h CMAS腐蝕后的腐蝕深度；(b1) 4 h，(b2) 16 h，(b3) 50 h，(b4) 100 h CMAS腐蝕后橫截面的掃描電鏡圖像；(c) 100 h CMAS 腐蝕后橫截面的EDS圖

圖5展示了1400°C條件下腐蝕100小時后試樣橫截面的微觀形貌，腐蝕50小時后腐蝕深度達160 μm，界面處形成連續的石榴石層（厚度150 μm），顯著抑制了CMAS滲透。

圖5 1400 ℃不同時間CMAS腐蝕橫截面：(a1) 4 h，(a2) 16 h，(a3) 50 h，(a4) 100 h CMAS腐蝕后的腐蝕深度；(b1) 4 h，(b2) 16 h，(b3) 50 h，(b4) 100 h CMAS腐蝕后橫截面的掃描電鏡圖像；(c) 100 h CMAS 腐蝕后橫截面的EDS圖

圖6展示了1500°C條件下腐蝕100小時后試樣橫截面的微觀形貌，腐蝕50小時后腐蝕深度為265 μm，但腐蝕速率（1.38 μm/h）未顯著升高，因高溫下生成的致密石榴石層（厚度150 μm）通過固溶CMAS中的Ca2?、Mg2?和Si??，進一步降低了熔鹽活性。

圖6 1500 ℃不同時間CMAS腐蝕橫截面：(a1) 4 h，(a2) 16 h，(a3) 50 h，(a4) 100 h CMAS腐蝕后的腐蝕深度；(b1) 4 h，(b2) 16 h，(b3) 50 h，(b4) 100 h CMAS腐蝕后橫截面的掃描電鏡圖像；(c1-c2) 反應層局部放大圖；(d) 具有不同對比度的石榴石相；(e) 100 h腐蝕后橫截面的EDS

圖7展示了腐蝕界面的物相分析，Al和Y的擴散主導腐蝕過程。Al從基體溶出進入CMAS，促進尖晶石和鈣長石析出；Y的擴散則推動石榴石層生長。隨溫度升高，元素擴散速率加快，但高溫（1500°C）下石榴石層快速形成，反而抑制了腐蝕速率。石榴石層與尖晶石相共同構成致密屏障，有效阻止Ca、Mg、Si等腐蝕元素向基體擴散。EDS顯示，腐蝕后基體內部未檢測到上述元素。

• 抗腐蝕機理

Al2O3/YAG共晶陶瓷的優異抗CMAS性能源于以下協同作用：（1）化學惰性：通過光學堿度（OB）計算，Al2O3/YAG（OB=0.64）與CMAS（OB=0.66）化學活性相近，反應傾向低。（2）相界面穩定性：Al2O3與YAG的共格界面無晶界缺陷，阻斷了CMAS沿晶界滲透路徑。（3）動態保護層：腐蝕過程中，YAG與CMAS反應生成含Ca、Mg、Si的固溶石榴石層，其連續性和致密度隨溫度升高而增強，成為長效擴散屏障。

圖7反應層的TEM分析：(a) 反應層具有代表性的黑白灰三相的HAADF圖像，(b) (a)的元素組成圖及EDS數據，(c) 界面2處的局部放大圖，(c1) (c)的元素組成及EDS數據，(c2)界面2的衍射斑點，(c3) 的傅里葉變換典型高分辨率TEM圖像，(c4) 的一維傅里葉濾波圖像，(c5) 的一維傅里葉濾波圖像，(c6) 的傅里葉變換典型高分辨率TEM圖像，(d-e) 界面1和3的傅里葉變換典型高分辨率TEM圖像，(e1) (e)的衍射斑點，(f) 界面4的傅里葉變換典型高分辨率TEM圖像

• 對比與優勢

圖8是最近報道的 CMAS 耐腐蝕材料在特定溫度和時間下腐蝕深度的代表性結果匯總。與文獻報道的同類材料相比，Al2O3/YAG共晶陶瓷在1300°C（100 h）和1400°C（100 h）下的腐蝕深度分別為83 μm和160 μm，1500°C（50 h）下為316 μm，顯著優于傳統涂層和單相材料。

圖8 抗CMAS腐蝕材料在特定溫度和時間下腐蝕深度的代表性結果對比

4、結論與展望

本文探究了Al2O3/YAG共晶陶瓷經1300 °C-1500 °C 高溫CMAS熔鹽腐蝕前后物相組成、微觀組織形貌的演變過程，通過建立微觀組織結構與腐蝕性能之間的關系，揭示了Al2O3/YAG共晶陶瓷與CMAS熔鹽在不同溫度和時間條件下的反應機制和腐蝕機理。Al2O3/YAG共晶陶瓷以其優異的抗腐蝕性能和多重保護機制，展現了作為下一代超高溫結構材料的巨大潛力，極端高溫環境下航空發動機熱端部件的研制提供了長壽命解決方案。

5、通訊作者簡介

蘇海軍，西北工業大學長聘二級教授、博士生導師。國家級領軍人才，國家優青，中國有色金屬創新爭先計劃獲得者。入選國家首批“香江學者”計劃、陜西省“青年科技新星”、陜西省冶金青年科技標兵、陜西省金屬學會優秀科技工作者。擔任陜西高校青年創新團隊學術帶頭人、陜西重點科技創新團隊帶頭人和先進高溫合金陜西省高校重點實驗室主任。長期從事先進定向凝固技術與理論及新材料研究，涉及高溫合金、高熵合金、超高溫復合陶瓷、生物陶瓷、鈣鈦礦太陽能電池、結構功能一體化復合材料以及定向凝固與增材制造技術等。主持包括國家重點研發計劃項目，國家自然基金重點、優青等7項國家基金在內的30余項國家級重要科研項目，在Nano Energy，Advanced Functional Materials，Nano Letters，Composites part B: engineering，Additive manufacturing等知名期刊發表論文200余篇。獲授權中國發明專利60余項以及3項美國發明專利。參編專著3部。獲陜西省科學技術一等獎、二等獎，中國交通運輸協會科學技術二等獎，寧波市科技進步一等獎，陜西高校科學技術研究優秀成果特等獎，陜西省冶金科學技術一等獎，全國有色金屬優秀青年科技獎和陜西青年科技獎各1項。

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝作者團隊支持。