航空发动机环境障涂层：材料及性能-天津中环电炉股份有限公司

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航空发动机环境障涂层：材料及性能

为满足新一代高推重比航空发动机对1400℃以上服役温度的需求，传统镍基高温合金已接近极限，因此亟需寻找替代材料；硅基非氧化物陶瓷（如SiC、Si₃N₄及其复合材料）因其优异的高温力学性能成为理想候选材料，但在发动机燃气环境中……

2026-05-07

研究背景

为满足新一代高推重比航空发动机对1400℃以上服役温度的需求，传统镍基高温合金已接近极限，因此亟需寻找替代材料；硅基非氧化物陶瓷(如SiC、Si₃N₄及其复合材料)因其优异的高温力学性能成为理想候选材料，但在发动机燃气环境中，水蒸气会与硅基陶瓷反应生成挥发性的Si(OH)₄，导致材料失重、性能退化甚至失效。为解决这一问题，必须在硅基陶瓷表面制备环境降涂层（EBCs），作为阻挡水蒸气腐蚀的屏障，从而保障硅基陶瓷在航空发动机热端部件上的可靠应用。

传统环境障涂层及失效机制

1.莫来石（Mullite，3Al₂O₃·2SiO₂）涂层

改进：采用加热基体+等离子喷涂制备完全结晶莫来石，抗裂性显著提高。

进一步改进：添加YSZ（Y₂O₃稳定的ZrO₂）面层，抑制SiO₂挥发，但YSZ与莫来石热膨胀系数不匹配，导致界面裂纹。

2.莫来石+ BSAS 多层涂层

1)结构：Si粘结层 + 莫来石/莫来石+BSAS中间层 + BSAS面层。

2)优势：

♦ BSAS（BaO-SrO-Al₂O₃-SiO₂）热膨胀系数与莫来石匹配好。

♦ 抗裂性显著提升，耐久性达1000小时（1300°C）。

3)失效机制：

♦ BSAS在≥1300°C时挥发，尤其在高速燃气环境中。

♦ Si粘结层氧化生成SiO₂，与BSAS反应生成低熔点玻璃相，被燃气吹走。

♦ CMAS（钙镁铝硅酸盐）污染物熔融后侵蚀涂层。

4)结论：第二代EBCs最高使用温度受限(约1300°C)，无法满足1400°C以上需求。

新型环境障涂层：稀土硅酸盐

主要研究进展

1. 抗氧化性能

Er₂SiO₃涂层（范金娟等）：1350°C氧化动力学符合对数规律，长期稳定。

Yb₂SiO₅涂层（贺世美等）：1400°C下80小时开始失重，失效原因为Ba/Al元素扩散、涂层烧结收缩及热应力。

2. 抗水氧腐蚀性能

Lu₂Si₂O₇多层涂层（Ueno等）：1300°C蒸汽中500小时保持稳定，表面出现气孔（SiO₂挥发）。

Yb₂Si₂O₇涂层（Richards等）：1316°C蒸汽循环2000小时，TGO层仅2.5μm，耐久性优异。

北京理工大学研究：

单层Y₂SiO₅涂层：123小时剥落。

Si/Y₂SiO₅双层涂层：寿命延长至205小时（提高近2倍）。

3. 抗CMAS侵蚀性能

Yb₂SiO₅ vs Yb₂Si₂O₇（Stolzenburg等）：

♦ Yb₂SiO₅与CMAS强烈反应，生成磷灰石相。

♦ Yb₂Si₂O₇在96小时内无明显反应，抗CMAS性能更优。

♦ RE₂Si₂O₇系列(Liu等)：

♦ Sc₂Si₂O₇和Y₂Si₂O₇可在界面形成反应区，阻止CMAS渗透。

♦ 其他稀土（Yb、Lu、La等）的反应区易溶解脱落。

研究结果

1)环境降涂层的三大关键要求：热膨胀匹配、化学相容性、结构稳定性。

2)稀土硅酸盐（RE₂SiO₅ / RE₂Si₂O₇）是目前最有前景的下一代EBCs材料体系。

3)未来研究重点：多因素耦合（热力化）环境下的长期稳定性、CMAS防护、涂层结构优化。

中环电炉设备

高温静态/高速水氧腐蚀设备利用实验室测试方法,准确模拟涡轮发动机工作环境的高温、高水蒸气分压和水蒸气速度，针对材料的热腐蚀、水蒸气氧化腐蚀进行循环测试，以正确评估材料的热化学稳定性。其中高速水氧腐蚀设备的水蒸气流速可高达150m/s。主要由进气控制系统、进液控制系统、均匀汽化装置、伴热管路及加热反应器等部分组成。主要适用于高温热障涂层、复合材料，合金等领域。