【用户成果】可视化高温原位观测探究HEAO陶瓷抗CMAS腐蚀机理-天津中环电炉股份有限公司

Cases

首页

【用户成果】可视化高温原位观测探究HEAO陶瓷抗CMAS腐蚀机理

东华大学张国军、刘吉轩研究员团队在《Journal of the European Ceramic Society》上发表了论文。研究对象为(La₀.₂Nd₀.₂Sm₀.₂Eu₀.₂Gd₀.₂) AlO₃（HEAO）高熵稀土铝酸盐钙钛矿陶瓷，采用大气等离子喷涂 APS制备块体试样……

2026-09-24

DOI：10.1016/j.jeurceramsoc.2026.118332

东华大学张国军、刘吉轩研究员团队在《Journal of the European Ceramic Society》上发表了题为“CMAS corrosion behavior of a high-entropy rare-earth aluminate ceramic prepared by atmospheric plasma spraying”的论文。研究对象为(La₀.₂Nd₀.₂Sm₀.₂Eu₀.₂Gd₀.₂) AlO₃（HEAO）高熵稀土铝酸盐钙钛矿陶瓷，采用大气等离子喷涂 APS制备块体试样，核心研究 1350 ℃下 CMAS（钙镁铝硅酸盐，航空发动机沙尘熔融腐蚀源）长时（1‑48 h）腐蚀行为与机理，论证该材料作为新一代抗 CMAS 热障涂层（TBC）的潜力。

研究背景

传统热障涂层＞1200 ℃发生t→m相变，同时熔融CMAS会渗入涂层内部，造成涂层剥落失效，无法满足下一代航空燃气涡轮更高进气温度需求；单组分稀土铝酸盐热导率偏高，而高熵陶瓷凭借晶格畸变、迟滞扩散效应成为TBC候选，其中高熵稀土铝酸盐由于其优异的热学和力学性能，为下一代TBC材料提供了一条很有前途的途径。本研究采用大气等离子喷涂(APS)法制备了(La₀.₂Nd₀.₂Sm₀.₂Eu₀.₂Gd₀.₂) AlO₃（HEAO）陶瓷。系统地研究了HEAO陶瓷在1350℃下长达48 h的CMAS腐蚀行为和机理。

研究方法

1.制备方法

高熵稀土铝酸盐陶瓷通过HEAO粉末合成、喷涂造粒、大气等离子喷涂 (APS) 制备块体样品。

2.热力学性能对比

3.CMAS腐蚀

实验过程：1350℃下，反应时间1/24/48h。

◆ 腐蚀1h即可生成约28μm薄且致密无裂纹的保护反应层，48h后厚度几乎不再增长，可有效阻止CMAS 继续侵蚀。

◆ CMAS 渗透深度：1-24h内由429μm增至662μm，48h后因反应产物封堵孔隙且熔融CMAS耗尽而基本停止。相比之下，YSZ腐蚀后生成单斜ZrO₂，伴随体积膨胀和组织疏松，36h即被完全腐蚀破坏。

可视化高温形变分析仪对于此研究的具体帮助

1.工况模拟与实验参数的快速筛选

DSC只能得到CMAS玻璃相转变温度Tg、熔化吸热峰Tm，但不能直接反映熔体对HEAO陶瓷的润湿铺展行为。通过可视化原位观测，直接看到：CMAS 在1223.6 ℃开始熔化，但并未充分铺展；直到≥1340 ℃熔滴才完全铺展，接触角显著下降。这直接证实：本研究选择1350 ℃作为腐蚀温度是合理的，该温度 CMAS充分熔融润湿，模拟航空发动机真实服役条件；如果仅靠DSC，可能误将1230 ℃当作充分腐蚀温度，造成实验条件偏离实际工况。

2.辅助解释腐蚀渗透现象

可视化看到1350 ℃下CMAS熔体流动性极强，解释了为什么APS试样即便有致密保护反应层，初期 CMAS依然可以沿着孔隙通道渗透到试样内部几百微米深度，把“后离线看到的渗透深度”和“高温熔体流动行为”直接关联，机理逻辑闭环。

总结

本文采用大气等离子喷涂制备了高熵稀土铝酸盐陶瓷，在1350 ℃下开展 CMAS腐蚀测试，得到主要结论：

1. HEAO具备优异抗CMAS腐蚀能力。1350 ℃腐蚀1h即可形成约28 μm的反应层，即使腐蚀延长至48h，该保护层厚度基本保持稳定且无裂纹产生，有效抑制CMAS进一步侵蚀。

2. HEAO多主元稀土阳离子离子半径存在差异，驱动稀土磷灰石相梯度结晶，产生 “温和腐蚀” 行为，缓解局部热应力，维持反应层结构完整性。

3. 优异的抗腐蚀性能为协同机制：一方面HEAO对CMAS本征化学反应活性较低；另一方面可快速生成致密梯度磷灰石阻挡层。尽管高温下CMAS熔体黏度降低会造成一定渗透，但材料不会发生灾难性失效。后续需优化成分与微观结构，拓宽材料适用温度范围，进一步提升性能。

中环电炉设备介绍

可视化高温形变分析仪，光学非接触法测量材料烧结过程膨胀收缩。材料在变温过程中形状、尺寸及物态变化在线实时观测，并通过智能化数据采集与图像处理系统给出直观、准确的数据及图形报告，产品性能与国际同类产品相当，处于国内领先水平。可视化高温形变分析仪用于材料研发与制造，有助于精确制定材料烧结工艺或热处理工艺，提高产品质量，降低生产成本。

主要功能

◆ 高温测试：最高使用温度1600℃/2000℃

◆ 实时动态测量烧结过程中收缩形变：非接触测量和记录样品烧结过程中高度、宽度和面积随温度变化曲线

◆ 判断各特征温度：烧结点、软化点、球化、半球化、熔点