1 環(huán)境障涂層的產(chǎn)生和發(fā)展

未來(lái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)正朝著更高推重比和更高熱機(jī)效率的方向發(fā)展,實(shí)現(xiàn)此目的最關(guān)鍵的因素就是提高發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪端或燃燒室進(jìn)口溫度。但是提高燃?xì)馐覝囟戎髸?huì)給固有的機(jī)械零件帶來(lái)不利的影響[1-3]。譬如,燃燒室溫度的增加會(huì)讓高壓渦輪熱端部件的表面溫度大幅度提高[4-5]。眾所周知,由于硅基非氧化物陶瓷(SiC/Si3N4)具有低密度、高強(qiáng)度、高模量、抗氧化、抗燒蝕、對(duì)裂紋不敏感的特點(diǎn),因而被認(rèn)為是取代發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件中鎳基高溫合金的理想材料[6]。在發(fā)達(dá)國(guó)家,各種SiC陶瓷基復(fù)合材料航空發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端部件已經(jīng)通過(guò)技術(shù)驗(yàn)證或成功應(yīng)用。 GE公司已經(jīng)在LEAP發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用了CMC渦輪罩環(huán),以及在GE9X上應(yīng)用了CMC渦輪導(dǎo)向葉片和高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片,GE [7] 視航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件使用SiC/SiC為重大創(chuàng)新和核心技術(shù)。如圖1 所示,就是SiC/SiC復(fù)合材料(CMC)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的典型應(yīng)用。由于硅基非氧化物陶瓷自身的不耐高溫水氧腐蝕的特性,因此需要施加涂層予以保護(hù),因此環(huán)境障涂層(Environmental barrier coatings, EBCs)技術(shù)可以作為彌補(bǔ)硅基材料不足的一項(xiàng)重要手段。

圖1 SiC/SiC復(fù)合材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用[8]

EBCs涂層的功能就是在發(fā)動(dòng)機(jī)惡劣環(huán)境中對(duì)基體材料起到保護(hù)作用,阻止或減小發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境對(duì)高溫結(jié)構(gòu)材料性能的影響。 EBCs涂層材料本身必須具備以下幾個(gè)特點(diǎn):

(1) 涂層材料應(yīng)該具有較高的熔點(diǎn),能夠保證涂層材料直接接觸外界高溫環(huán)境而不發(fā)生失效。

(2) 涂層材料與基體材料之間應(yīng)該具有良好的機(jī)械結(jié)合力,保證涂層體系與基體以及涂層體系內(nèi)部各層之間不發(fā)生剝落。

(3) 涂層材料應(yīng)具有良好的表面穩(wěn)定性以及較低的氧滲透能力,以避免其與環(huán)境氣體發(fā)生反應(yīng)并盡可能抑制氧氣與基體材料發(fā)生接觸。

(4) 涂層材料應(yīng)與基體材料具有相近的熱膨脹系數(shù)(CTE)。如果熱膨脹系數(shù)相差較大,那么在熱循環(huán)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力,導(dǎo)致裂紋及分層甚至造成剝落。

(5) 涂層材料在高溫條件下盡量不能發(fā)生相變。相變通常會(huì)導(dǎo)致體積的變化,進(jìn)而導(dǎo)致涂層開裂甚至剝落。

(6) 涂層材料應(yīng)該具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性和耐腐蝕性,避免生成不穩(wěn)定相并且能夠抵抗發(fā)動(dòng)機(jī)惡劣環(huán)境的腐蝕。

(7) 涂層要致密、均勻、微孔隙和微裂紋少, 在保證具有抗氧化、耐腐蝕能力的前提下,密度應(yīng)該盡可能低[9],以達(dá)到飛行器減重輕量化需求。

基于以上7 個(gè)特點(diǎn),EBCs的發(fā)展大致可以分為4 個(gè)階段:第一代EBCs是以莫來(lái)石(Mullite)為主要涂層材料。因?yàn)镸ullite與硅基陶瓷的熱膨脹系數(shù)接近,并且化學(xué)相容性較好,因此成為了早期EBCs研究的主要對(duì)象,但是由于莫來(lái)石抗水蒸氣能力相對(duì)較差,莫來(lái)石作為單一環(huán)境障涂層顯然是不夠的;第二代是以莫來(lái)石為中間層,YSZ作為表面層的多層結(jié)構(gòu),但是由于YSZ層和莫來(lái)石的熱膨脹系數(shù)相差太大。第三代EBCs是以莫來(lái)石作為中間層,BSAS((1-x)BaO-xSrO-Al2O3-2SiO2, 0≤x<1)作為表層的多層結(jié)構(gòu)涂層,其主要缺點(diǎn)是在1300℃以上,就要與SiO2 發(fā)生反應(yīng),在1400℃ 以上BSAS涂層就會(huì)大量的和水蒸氣發(fā)生反應(yīng)然后過(guò)早的失效;第四代EBCs的材料研究熱點(diǎn)轉(zhuǎn)向了稀土硅酸鹽體系[10];在2010 年之后,未來(lái)的第五代EBCs將會(huì)發(fā)展到T/EBCs體系。從性價(jià)比的角度而言,第二、三、四代EBCs體系并不是對(duì)上一代體系的升級(jí)。而是由于在更加嚴(yán)苛的服役條件下產(chǎn)生的下一代EBCs。例如,服役溫度在1200℃ 以下的航空器,莫來(lái)石/YSZ這一代的EBCs性能很穩(wěn)定,足以抵抗水蒸氣和CMAS的腐蝕,就無(wú)需選擇加入稀土涂層(如圖2)。

圖2 環(huán)境障涂層選材歷史流程圖及常見的環(huán)境障涂層

圖3 直觀地體現(xiàn)了EBCs對(duì)陶瓷基復(fù)合材料溫度性能的影響。早期的EBCs由莫來(lái)石結(jié)合層和釔穩(wěn)定氧化鋯(YSZ) 表面涂層組成。由于莫來(lái)石密度低,導(dǎo)熱系數(shù)低,抗氧化能力強(qiáng),化學(xué)相容性好,熱膨脹系數(shù)與SiO2 相近,適合成為EBCs的材料。由于莫來(lái)石在高溫環(huán)境下與水蒸氣嚴(yán)重腐蝕的緣故,莫來(lái)石不能作為頂層涂層。結(jié)果表明,釔穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)在水蒸氣中的穩(wěn)定性較好。因此,采用等離子噴涂技術(shù)將ZrO2-8%Y2O3 噴涂于莫來(lái)石層之上。但是由于熱膨脹系數(shù)(CTE)不匹配,在EBCs系統(tǒng)中產(chǎn)生了熱應(yīng)力, 導(dǎo)致了涂層的失效。因此BSAS和稀土摻雜或改性涂層開始成為研究的方向。

圖3 EBCs對(duì)陶瓷基復(fù)合材料溫度性能的影響[13]

文中主要從EBCs的選材和EBCs涂層抗CMAS、水氧腐蝕失效和熱沖擊失效等國(guó)內(nèi)外相關(guān)方面的研究進(jìn)展進(jìn)行歸納和總結(jié),并系統(tǒng)闡釋了涂層失效機(jī)制,并從模擬計(jì)算角度概述了相關(guān)研究進(jìn)展,并且為今后的EBCs研究指明方向。

2 EBCs的選材

當(dāng)前的研究主要集中研究稀土涂層對(duì)于CMAS腐蝕和水蒸氣腐蝕的防護(hù)問題,這涉及到如何選材的問題,目前可用作未來(lái)環(huán)境障涂層的候選材料主要有莫來(lái)石/YSZ、莫來(lái)石/BSAS、莫來(lái)石/Re2 SiO5、莫來(lái)石/Re2 Si2O7。涉及到的體系主要有鐿酸鹽(Yb)、镥酸鹽(Lu)、鉿酸鹽(Hf)等系列[14]。通過(guò)不同的稀土元素?fù)诫s可實(shí)現(xiàn)抗腐蝕能力以及熱膨脹系數(shù)的調(diào)控,但目前制備的大多是環(huán)境障氧化物塊體材料,用作環(huán)境障涂層材料相對(duì)較少,很多學(xué)者通過(guò)第一原理的方法對(duì)不同稀土摻雜得到的結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)率進(jìn)行了大量的計(jì)算,包括電子結(jié)構(gòu)計(jì)算、能帶計(jì)算、聲子譜計(jì)算,試圖尋找有良好的抗CMAS腐蝕和抗水蒸氣腐蝕的晶體結(jié)構(gòu),用作環(huán)境障涂層候選材料,同時(shí)結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)對(duì)這些結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。 Zhilin Tian等[15]通過(guò)第一性原理計(jì)算了β-Y2 Si2O7,γ-Y2 Si2O7,β-Yb2 Si2O7 和 β-Lu2 Si2O7 的彈性勢(shì)能和導(dǎo)熱系數(shù),從而給EBCs的選材提供依據(jù),如圖4 所示,反映了模擬得出的最小的晶格導(dǎo)熱系數(shù),通過(guò)算得最小的晶格導(dǎo)熱系數(shù)為設(shè)計(jì)EBCs材料選擇提供理論支持。劉金玲[16] 通過(guò)第一性原理計(jì)算的方法,給出了雙稀土硅酸鹽材料(Re2 Si2O7)作為EBCs涂層抗水氧腐蝕能力的排布情況。運(yùn)用密度泛函理論(DFT)的不足是計(jì)算的范圍尺度較小,這個(gè)計(jì)算條件和實(shí)際工況條件下的情況不相符。不過(guò)此結(jié)果能為EBCs的選材提供很好的指導(dǎo)作用,并且文中所提出的計(jì)算方法可以為今后的EBCs材料對(duì)于水蒸氣腐蝕行為給出理論上的參考值。雖然現(xiàn)在發(fā)表的文獻(xiàn)主要以Yb2 Si2O7和Yb2 SiO5 為主,但是國(guó)內(nèi)外學(xué)者也對(duì)EBCs的選材進(jìn)行了積極的探索,Wang等[17] 對(duì)YPO4 進(jìn)行了研究,并發(fā)現(xiàn)YPO4 在高溫條件下水蒸氣的腐蝕和熔鹽耐腐蝕能力也有很良好的效果。高熵合金也是學(xué)者選擇材料的熱點(diǎn), Yu Dong等[18]采用溶膠-凝膠法制備了一種新型的高熵材料( Yb0.2Y0.2Lu0.2 Sc0.2Gd0.2)2 Si2O7,長(zhǎng)時(shí)間暴露在1400℃ 的水蒸氣中, 高熵陶瓷(5RE0.2)2 Si2O7 沒有發(fā)生分解證實(shí)了其在水蒸氣環(huán)境中具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。同時(shí),此材料與Cf/Si復(fù)合材料在高溫下熱膨脹系數(shù)與基體也差異較小。這個(gè)結(jié)果說(shuō)明,未來(lái)高熵陶瓷也可以作為EBCs選材的方向之一。

圖4 計(jì)算的各向異性最小導(dǎo)熱系數(shù)[15]

3 等離子噴涂環(huán)境障涂層失效的方式

設(shè)計(jì)EBCs涂層初衷是抵抗高溫水蒸氣失效,保護(hù)碳化硅陶瓷基復(fù)合材料。但是由于近年來(lái)我國(guó)面臨空氣污染的嚴(yán)峻形勢(shì),CMAS失效已經(jīng)成為我國(guó)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片失效的主要方式。因此CMAS(CaO-MgO-Al2O3-SiO2)失效和水氧腐蝕失效都變成了EBCs的研究重點(diǎn)。 CMAS失效是指航空器在飛行過(guò)程中不可避免地經(jīng)過(guò)風(fēng)沙聚集或者有火山灰殘留的空域。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中,這些粉塵沉積到葉片上時(shí), 在高溫下, 熔融的高溫粒子通過(guò)涂層表面存在的裂紋和孔隙滲入到環(huán)境障涂層內(nèi)部,冷卻形成玻璃態(tài)物質(zhì)造成的表層剝落及層間易開裂問題而使得涂層失效,學(xué)者們對(duì)CMAS腐蝕進(jìn)行了全方位的研究。水氧腐蝕失效是由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃料中由于含有大量的水蒸氣,基體SiC/CMC表面會(huì)生成SiO2 保護(hù)膜, SiO2 與水蒸氣發(fā)生反應(yīng),且會(huì)隨氣流的加劇反應(yīng)加劇。此外,航空器高溫部件在服役過(guò)程中存在啟動(dòng)、加力、巡航等多種狀態(tài),因此需滿足能應(yīng)對(duì)熱沖擊的要求,EBCs涂層抗熱震的性能同樣值得關(guān)注。

3.1 CMAS失效

CMAS失效研究經(jīng)歷了長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展。早期的學(xué)者對(duì)BSAS涂層與高溫沖蝕進(jìn)行了研究[19-20]。此時(shí),有的學(xué)者把其作為連接莫來(lái)石層的重點(diǎn),研究CMAS腐蝕對(duì)于莫來(lái)石層的影響[21]。現(xiàn)在大多數(shù)學(xué)者對(duì)表層稀土層進(jìn)行腐蝕研究。甚至有的學(xué)者從CMAS的粒子的角度進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)CMAS粒子越光滑,那么涂層越不容易和CMAS粒子進(jìn)行反應(yīng),這樣的研究不能為工藝生產(chǎn)提供幫助。學(xué)者們對(duì)CMAS腐蝕的研究取得很大進(jìn)展,但是高于1400℃的情況下,試驗(yàn)所取得數(shù)據(jù)結(jié)果不理想。現(xiàn)在的學(xué)者對(duì)于CMAS失效機(jī)理的研究主要集中于EBCs稀土涂層的部分,歸因于Yb元素在水氧腐蝕中的良好表現(xiàn)。

Kendra [19]在2007 年時(shí)就已經(jīng)用BSAS與CMAS進(jìn)行反應(yīng),發(fā)現(xiàn)在1300℃下經(jīng)歷1~4 h的腐蝕,CMAS就已經(jīng)滲入涂層BSAS的內(nèi)部,如圖5,這很明顯的說(shuō)明BSAS-EBCs很容易受到鈣鎂鋁硅酸鹽( CMAS) 熔體的攻擊,顯然僅使用BSAS作為頂層涂層材料是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。復(fù)合涂層中有莫來(lái)石層,莫來(lái)石結(jié)構(gòu)如圖6。 Jang等[21] 以CMAS的條件,對(duì)莫來(lái)石單獨(dú)進(jìn)行腐蝕的模擬,發(fā)現(xiàn)了火山灰中的Fe是對(duì)莫來(lái)石腐蝕的主要元素,但是Na元素對(duì)破壞燒結(jié)態(tài)莫來(lái)石起著決定作用。如圖7,燒結(jié)態(tài)莫來(lái)石在CMAS腐蝕下經(jīng)過(guò)1400℃ 熱處理2 h后的圖像。可以從EDS圖中很明顯發(fā)現(xiàn)反應(yīng)層中存在Na、Mg、Fe、 Si、Al、Ca元素。 Nadia L.Ahlborg等[22]分別研究了Yb2 SiO5(YbMS)和YSi2O7 的表面層在1500℃ 的環(huán)境下與CMAS發(fā)生反應(yīng),發(fā)現(xiàn)CMAS與YbMS表面層先和晶界發(fā)生反應(yīng),并且在高溫作用下,由于擴(kuò)散作用Al、Ca、Mg、Si元素向能量低的晶界進(jìn)行偏聚。并且發(fā)現(xiàn)了Ca2Yb8(SiO4)6O2這個(gè)相,這是由于CMAS中的CaO與YbMS反應(yīng)所生成的。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),YSi2O7 表面層與CMAS反應(yīng)同樣存在和YbMS一樣的揮發(fā)問題。

圖5 BSAS/SiC試樣在1300℃ 熱處理后CMAS的BSE圖像[19]

圖6 莫來(lái)石的晶體結(jié)構(gòu)示意圖[9]

圖7 燒結(jié)態(tài)莫來(lái)石經(jīng)1400℃ 熱處理2 h后與冰島VA(試驗(yàn)中的CMAS)反應(yīng)生成SEM圖像和EDS圖譜[21]

同時(shí)YSi2O7 生成了Ca2Y8(SiO4)6O2。從而導(dǎo)致的涂層失效。 Valerie等[23] 卻發(fā)現(xiàn)在1400℃ 以上,YSi2O7 作為單獨(dú)的EBCs材料在抗CMAS方面是無(wú)效的,反應(yīng)式如下:

         (1)

關(guān)于Ca2Y8(SiO4)6O2 的研究,也有很多學(xué)者首先用XRD等測(cè)試方法去測(cè)得其晶體結(jié)構(gòu),然后用第一性原理計(jì)算的方法計(jì)算其熱力學(xué)的一些性質(zhì)[24-25]。 F.Stolzenburg等[26] 發(fā)現(xiàn)Yb2 SiO5(YbMS) 和Yb2 Si2O7(YbDS) 與CMAS的反應(yīng)機(jī)理不同,通過(guò)對(duì)比晶體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在一段時(shí)間內(nèi)的衰退度表征YbDS的反應(yīng)速度相對(duì)較慢。雖然文章中沒有給出合理的解釋,為什么YbDS比YbMS反應(yīng)速度相對(duì)較慢,但是作者給出了兩種推測(cè):反應(yīng)物的結(jié)晶度對(duì)速率的影響和反應(yīng)產(chǎn)物的熱力學(xué)穩(wěn)定性的不同。 Hengbei Zhao等[27] 關(guān)于YbDS和YbMS與CMAS給出詳盡的說(shuō)明。如圖8,在頂層涂層中既有YbDS和YbMS時(shí),由于兩者的反應(yīng)機(jī)理不同,CMAS先于YbMS進(jìn)行反應(yīng)。如圖9,同時(shí)也指出了CMAS中的Ca是以非晶相為途徑進(jìn)行擴(kuò)散,滲入涂層進(jìn)行反應(yīng),反應(yīng)物通過(guò)非晶相為途徑擴(kuò)散到表層,此現(xiàn)象與F.Stolzenburg的觀察到的過(guò)程是一致的。

圖8 CMAS與YbDS頂涂層反應(yīng)后的BSE圖像。磷灰石相首先滲透到SiO2 耗盡(對(duì)比度較低的YbMS) 區(qū)域的涂層中,并與涂層中未反應(yīng)的YbDS顆粒混合[27]

圖9 設(shè)想的CMAS與YbMS和YbDS APS涂層之間的反應(yīng)機(jī)理示意圖[27]

關(guān)于YbDS與YbMS的相和結(jié)構(gòu)的問題,E.Garcia等[28]解釋了YbMS兩種形態(tài)的轉(zhuǎn)變,結(jié)晶促使了晶粒數(shù)的增加,高溫進(jìn)而增加了晶體體積,從而使涂層膨脹。涂層的演化動(dòng)力學(xué),亞穩(wěn)態(tài)和相變對(duì)涂層的熱力學(xué)性能有很大的影響,特別是熱導(dǎo)率和熱膨脹行為,可以用來(lái)獲得最合適和穩(wěn)定的相。并且給出了對(duì)于噴涂YbDS與YbMS比較合理的工藝流程。 Fengrui Jiang等[29] 基于反應(yīng)結(jié)晶的腐蝕機(jī)理合理解釋樣品在1200℃下經(jīng)過(guò)4 h的CMAS腐蝕,如圖10 所示, 并且闡述了Si-O中的距離比RE-O中的距離短, 因此SiO4 四面體的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定,而且RE-O鍵比Si-O鍵更容易斷裂。因此,在CMAS腐蝕下, RE-O鍵在高溫下容易被破壞。

圖10 RE2 SiO5-CMAS系統(tǒng)腐蝕機(jī)理的示意圖[29]

3.2 水氧腐蝕失效

在高溫服役環(huán)境中的航空發(fā)動(dòng)機(jī),由于燃料中或者在空氣中含有大量的水蒸氣,水蒸氣和SiC和SiO2 發(fā)生反應(yīng), 生成容易揮發(fā)的Si(OH)4,此物質(zhì)極容易被航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的高速氣流帶走。使得Cf/SiC直接暴露在高溫燃?xì)獾沫h(huán)境之中[30]。

在干燥空氣或氧氣的高溫下,硅基非氧化物與氧氣反應(yīng),形成薄的保護(hù)二氧化硅( SiO2) 層, 以防止進(jìn)一步氧化。然而在燃燒環(huán)境中,水蒸氣與二氧化硅層形成揮發(fā)性氫氧化硅(Si(OH)4), 高溫和高的燃燒氣體的速度會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的表面退化。

SiC陶瓷與高溫水汽的反應(yīng)公式如下所示:

Si3N4 陶瓷與高溫水汽的反應(yīng)公式如下所示:

針對(duì)水氧腐蝕失效問題Fan-Jie Feng等[32] 在莫來(lái)石層加入Yb2 SiO5 之后,發(fā)現(xiàn)表面致密度變高了,并且隨著Yb2 SiO5 含量的增多,表面的氣孔率變得越來(lái)越小,由此Fan-Jie Feng等得出結(jié)論,Yb2 SiO5 有助于抗水蒸氣腐蝕。 Bradley T.Richards等[33] 用稀土研究水蒸氣失效的機(jī)理。如圖11,由于涂層受到橫向約束,水蒸氣腐蝕之后體積的減小導(dǎo)致了多孔的表層。圖4( a)展示了這種腐蝕的初始階段,隨著暴露時(shí)間的延長(zhǎng), SiO2 揮發(fā)所產(chǎn)生的孔隙會(huì)一直延伸到涂層之中, 從而擴(kuò)展成氣路的通道。這個(gè)通道同時(shí)是水蒸氣進(jìn)入和Si(OH)4 溢出的通道。圖4(b)顯示了水蒸氣腐蝕進(jìn)行到后期的情況。可以很明顯得出,在YbDS/Si界面形成熱氧化物( TGO) SiO2形成了較大的殘余應(yīng)力。賀世美等[30,34] 在研究YbMS抗水蒸氣腐蝕時(shí)候發(fā)現(xiàn)涂層的失效過(guò)程是從未出現(xiàn)裂紋和剝落到部分宏觀裂紋在較集中的區(qū)域出現(xiàn)并且伴隨著涂層向外翹曲,最后邊緣部位涂層出現(xiàn)了剝落。這些過(guò)程與他在研究BSAS抗水蒸氣腐蝕過(guò)程是一樣的。 YbMS在等離子噴涂之后并沒有發(fā)生相結(jié)構(gòu)的變化,在恒溫氧化之后出現(xiàn)了Al2Yb4O9(單斜相) 和BaO2(四方相)。可以得出由于擴(kuò)散作用YbMS在高溫下與BSAS發(fā)生反應(yīng),同時(shí)YbMS也與水蒸氣發(fā)生反應(yīng)的結(jié)論。 Nadia Rohbeck等[35] 直接將YbDS噴涂在SiC/CMC之上,在1400℃ 的水蒸氣的腐蝕下,即使等離子噴涂涂層含有很高的孔隙率, YbDS層也能很好地有效的保護(hù)SiC/CMC基底, 腐蝕僅僅在Si/YbDS界面發(fā)生。試驗(yàn)還觀察到TGO層的存在,由于TGO是裂紋的集中地,因此黏結(jié)性能就會(huì)降低,YbDS層會(huì)過(guò)早的發(fā)生剝落。以上兩個(gè)結(jié)果很好的闡述了一個(gè)觀點(diǎn):單一的EBCs在保護(hù)基體材料能力有限,需要構(gòu)筑多層結(jié)構(gòu)體系。魯琳靜等[36] 研究發(fā)現(xiàn)BSAS涂層在工作溫度1250℃、氣流條件為50%H2O-50%O2、壓力為1.013 ×10 5 Pa進(jìn)行100 h腐蝕處理, 涂層和復(fù)合材料都沒有受到明顯的腐蝕,經(jīng)高溫?zé)嵴鹨矝]有發(fā)生涂層的開裂和剝落。并且與沒有加上BSAS涂層經(jīng)過(guò)相同條件下進(jìn)行對(duì)比(如圖12)經(jīng)過(guò)100 h的高溫水氧腐蝕,Cf/SiC的表面生成了幾微米厚的SiO2 層,并且存在大量的微裂紋,這層SiO2 會(huì)與高溫環(huán)境中的水反應(yīng)生成揮發(fā)性的Si(OH)4,使得SiC被進(jìn)一步的氧化。在圖13 中,發(fā)現(xiàn)BSAS涂層致密,與基底結(jié)合良好, 涂層本身材料沒有發(fā)生明顯的腐蝕。這說(shuō)明BSAS與基底有良好的熱匹配性。這個(gè)結(jié)果與Lee的結(jié)論基本吻合[2]。如圖14,可以明顯看出在經(jīng)歷工作溫度為1300℃的200 h的熱循環(huán)中, BSAS涂層沒有受到明顯的破壞,Lee給出了在小于工作溫度1300℃,200 h腐蝕的情況下,BSAS涂層與基體能結(jié)合良好的范圍區(qū)間。 Emine Bakan等[37]的試驗(yàn)中以YbDS-YbMS為噴涂頂層,其中闡述了YbDS與H2O(g)反應(yīng)生成YbMS的結(jié)論。因?yàn)樗麄儼l(fā)現(xiàn),原來(lái)致密的YbDS樣品表面形成了連續(xù)的YbMS層。并且表明在高溫水蒸氣下,YbMS比YbDS有更加強(qiáng)的揮發(fā)性,同時(shí)又指出YbMS比YbDS有更好的耐水蒸氣腐蝕性[37-38]。該結(jié)果為在特定工況條件下EBCs涂層的研究提供參考方向:如失效原因偏向于高速氣流,則應(yīng)該考慮使用YbDS的涂層;同理如水蒸氣是失效的主要因素,那么EBCs的選擇,則傾向于YbMS涂層。

圖11 二氧化硅揮發(fā)機(jī)理示意圖,在暴露的YbDS表面形成YbMS多孔表面層,蒸汽循環(huán)后在硅鍵膜上形成TGO層[33]

圖12 Cf /SiC水氧腐蝕形貌(1250℃,50%H2O-50%O2,100 h,1.013 ×10 5 Pa) [36]

圖13 Cf /SiC-BSAS水氧腐蝕形貌(1250℃, 50%H2O-50%O2, 100 h, 1.013 ×10 5 Pa) [36]

圖14 莫來(lái)石/BSAS為涂層制備的SiC在循環(huán)水蒸氣爐(200 h, 1300℃, 2 h cycle, 90%H2O/O2, 1 atm) [2]

3.3 熱沖擊失效

當(dāng)EBCs用于旋轉(zhuǎn)部件時(shí),需要承受可能導(dǎo)致蠕變變形和斷裂的大量靜態(tài)載荷和循環(huán)載荷, 這樣的環(huán)境是先進(jìn)材料系統(tǒng)所必須經(jīng)歷的最嚴(yán)峻的環(huán)境之一。熱沖擊失效就是飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)用涂層中的一種最常見的失效方式之一。熱沖擊是指由于急劇加熱或冷卻,使物體在較短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量的熱交換,溫度發(fā)生劇烈的變化時(shí), 該物體就要產(chǎn)生沖擊熱應(yīng)力[39]。針對(duì)熱沖擊失效,Lee等[40]將SiC陶瓷管在1200℃進(jìn)行淬火實(shí)驗(yàn),系統(tǒng)地對(duì)SiC陶瓷管的熱沖擊性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)評(píng)估。通過(guò)對(duì)SiC陶瓷管斷裂形貌的觀察,發(fā)現(xiàn)SiC陶瓷有沿晶斷裂的特點(diǎn),且溫度梯度越高越容易斷裂。 C.V.Cojocaru等[41] 運(yùn)用材料自修復(fù)的思想,對(duì)BSAS涂層在1300℃的高溫水蒸氣環(huán)境下進(jìn)行了循環(huán)熱考核,以2 h為一個(gè)循環(huán)考核時(shí)間,進(jìn)行了100 個(gè)熱循環(huán)測(cè)試,研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)在高溫條件下BSAS涂層能夠發(fā)生裂紋自修復(fù),試驗(yàn)測(cè)試記錄了EBCs在高溫水蒸氣熱循環(huán)時(shí)對(duì)應(yīng)的硬度和彈性模量,這些結(jié)果可以為涂層服役行為的模擬計(jì)算提供重要的數(shù)據(jù)支持。 Wang等[42-43]在多孔隙的Si3N4 基體表面噴涂了Y2O3、SiO2、Al2O3 的混合物,從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果發(fā)現(xiàn)抗熱沖擊性能隨著燒結(jié)溫度的升高而提高。 Han等[44]發(fā)現(xiàn)YbDS與YbMS混合有很好的抗熱沖擊性能,并給出失效的原因是因?yàn)樵跓釠_擊試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生拉引力,形成裂紋或者是因?yàn)樵谙嘧冞^(guò)程形成氧化物的體積收縮而導(dǎo)致。作者解釋了為什么兩種化合物的混合會(huì)讓抗熱沖擊能力提升。在熱噴涂過(guò)程中產(chǎn)生的氣泡會(huì)讓抗熱沖擊能力的提升。較高的摩爾分?jǐn)?shù)的YbDS會(huì)讓涂層有更高的斷裂韌性和更高的抗裂紋擴(kuò)展的能力。許振華等[45]同樣在1300℃研究了熱沖擊的行為, 當(dāng)EBCs涂層由室溫急劇加熱至1300℃時(shí),涂層內(nèi)生長(zhǎng)的非連續(xù)微裂紋,有利于殘余應(yīng)力得到局部釋放。然而,涂層長(zhǎng)期在1300℃ 的加熱環(huán)境及反復(fù)多次循環(huán)快速冷卻條件下,涂層內(nèi)的殘余應(yīng)力不斷累積,當(dāng)應(yīng)力積累到一定程度時(shí)將引起EBCs涂層的微裂紋不斷擴(kuò)展并產(chǎn)生橋聯(lián)現(xiàn)象,形成宏觀裂紋,并最終導(dǎo)致EBCs涂層剝落失效。因此,由于EBCs涂層材料熱膨脹系數(shù)的差異,涂層內(nèi)殘余應(yīng)力隨著熱沖擊時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷積聚。同時(shí)涂層受到的應(yīng)力也不斷增加,二者的交互作用,使EBCs涂層內(nèi)部出現(xiàn)的裂紋數(shù)量越來(lái)越多,裂紋寬度也不斷增大,從而易于導(dǎo)致EBCs涂層過(guò)早剝落失效。這樣的失效的過(guò)程和3.1 中賀世美等人提到失效的過(guò)程相似。許振華同樣發(fā)現(xiàn)了莫來(lái)石中的Al元素由于擴(kuò)散作用向外進(jìn)行擴(kuò)散。

X.F.Zhang [46-47]在研究熱沖擊的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)用一層致密的鋁膜作為過(guò)渡層可以很好的抗擊熱沖擊腐蝕。鋁與二氧化硅原位反應(yīng)后,由于氧化鋁晶粒中存在氧空位,試樣表面呈灰色。在工作溫度為1100℃ 熱沖擊試驗(yàn)55 個(gè)循環(huán)后的同一試樣,除邊緣效應(yīng)導(dǎo)致邊緣有一小塊散裂區(qū)域外,表面無(wú)明顯裂紋、翹曲和散裂。此外,在熱沖擊試驗(yàn)中,隨著氧的部分消失,灰色表面逐漸變白。這種設(shè)計(jì)方法很新穎,目前第三代環(huán)境障涂層的開發(fā)要是尋求能夠承受溫度更高的頂層材料,但在更高的溫度作用下,中間層會(huì)與頂層材料發(fā)生相互反應(yīng)[48],如果以Al2O3 作為過(guò)渡層既能抵擋熱沖擊,由于氧化鋁已經(jīng)達(dá)到飽和還能使莫來(lái)石中Al元素不與基底發(fā)生反應(yīng)。這樣的過(guò)渡層同樣適用于YbMS/YbDS層與莫來(lái)石層中,這樣就可以防止Al元素和稀土層發(fā)生反應(yīng)從而減緩失效的過(guò)程。但是這個(gè)實(shí)驗(yàn)有弊端,實(shí)驗(yàn)溫度太低只有1100℃,并且進(jìn)行熱沖擊的次數(shù)太少,只進(jìn)行了55 次,更加的可靠的結(jié)論還需要未來(lái)做實(shí)驗(yàn)繼續(xù)考證。

4 失效控制

通過(guò)上述分析失效機(jī)制,可以發(fā)現(xiàn)CMAS失效主要是由于高溫粒子與基體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生不良的反應(yīng)物。失效的形式是因?yàn)榉磻?yīng)物與基體的性能不同導(dǎo)致缺陷(氣孔、裂紋、未熔融粒子等)的產(chǎn)生和發(fā)展。缺陷的主要表現(xiàn)形式集中表現(xiàn)的是微小的橫向裂紋造成的剝落或者是造成的較深縱向裂紋致使復(fù)合涂層體系的失效。對(duì)于水氧腐蝕和高溫?zé)嵴饍煞N情況, 失效的形式更是由于裂紋的萌生和擴(kuò)展所導(dǎo)致的。由于裂紋所產(chǎn)生涂層失效是最為常見的失效方式。因此對(duì)于裂紋修復(fù)的問題值得大家關(guān)注。

裂紋的產(chǎn)生不可避免。國(guó)內(nèi)外學(xué)者一直努力將EBCs涂層服役的時(shí)間延長(zhǎng),讓涂層能在更加嚴(yán)苛的環(huán)境下服役。如何控制失效是普遍研究的科學(xué)問題,針對(duì)裂紋的控制,有的學(xué)者提出自修復(fù)的觀點(diǎn),涂層自修復(fù)是在不使用外加補(bǔ)修材料的情況下,在裂紋的初始階段就對(duì)破損的地方進(jìn)行一定程度的修復(fù),這對(duì)延長(zhǎng)涂層的時(shí)間、保證基材的機(jī)械強(qiáng)度等有著十分重要的意義[49]。 Chen [50] 在Y2 Si2O7 加入TiSi2,讓裂紋中充斥著TiSi2 阻礙氧氣和水蒸氣的進(jìn)入,從而讓失效的過(guò)程減緩。

Joana Mesquita-Guimars等[51]用有限元有效地模擬出了不同組分的莫來(lái)石/YSZ層復(fù)合而成的3 種多層涂層體系,計(jì)算了中心、邊緣和角部的應(yīng)力分布。該模型有助于識(shí)別裂紋的位置;Bradley T.Richards等[52]用有限元模擬的方法計(jì)算出了裂紋的能量釋放率,結(jié)合實(shí)驗(yàn)并得出關(guān)于裂紋的結(jié)論:裂紋大多終止于多孔Si鍵涂層中的孔隙中,借助孔隙的位置可以改變裂紋的生長(zhǎng)方向,從而使裂紋不會(huì)形成縱向裂紋; 適當(dāng)?shù)目紫哆€可以解決熱膨脹失配的問題,為承受膨脹提供空間,降低彈性模量從而擁有更好的抗應(yīng)變?nèi)菹薜男阅?失效機(jī)制匯總表如表1 所示。

針對(duì)裂紋的控制,模擬計(jì)算能給試驗(yàn)帶來(lái)很好的輔助。在模擬計(jì)算過(guò)程中,可以優(yōu)化BSAS、稀土硅酸鹽的成分得到更有利于抗水氧腐蝕的條件。為了讓EBCs涂層在高溫?zé)嵴鸬臈l件下能服役更長(zhǎng)的時(shí)間。有限元模擬同時(shí)可以優(yōu)化復(fù)合涂層的厚度,得到最小的殘余應(yīng)力值;通過(guò)優(yōu)化界面處的形貌,獲得最小的殘余應(yīng)力值也是常用的方法。計(jì)算優(yōu)化出的界面形貌,可以通過(guò)合適的加工工藝生產(chǎn)出優(yōu)化的界面形貌,得到殘余應(yīng)力值小且結(jié)合力優(yōu)異的涂層。在模擬仿真計(jì)算過(guò)程中,可以引入適當(dāng)?shù)牧鸭y,通過(guò)裂紋擴(kuò)展動(dòng)力學(xué),通過(guò)在裂紋尖端處布置氣孔等缺陷,鈍化裂紋尖端的應(yīng)力集中,其主要原理是如果裂紋尖端遇到氣孔,則氣孔能吸收裂紋,致使裂紋停止生長(zhǎng)。若裂紋尖端遇到第二相,則裂紋改變裂紋生長(zhǎng)方向。由此能發(fā)現(xiàn)一些缺陷確實(shí)能使裂紋的擴(kuò)展變緩慢或者改變裂紋的生長(zhǎng)方向。

在實(shí)際噴涂過(guò)程中,可以采用此類方法。在鎖定計(jì)算過(guò)程中可能產(chǎn)生應(yīng)力集中的地方, 在實(shí)際生產(chǎn)中可以適當(dāng)?shù)母淖儦怏w流量、改變路徑的工藝方法布置設(shè)計(jì)的缺陷。再結(jié)合原位聲發(fā)射技術(shù),分析應(yīng)力集中處是否存在想要布置的氣孔或者第二相。通過(guò)這樣的方式可以延緩裂紋的擴(kuò)展。但是實(shí)際工況條件下,裂紋的萌生不是單獨(dú)一條的出現(xiàn),可能是多條裂紋的同時(shí)出現(xiàn),現(xiàn)在的計(jì)算模擬仿真只能設(shè)置一條裂紋或者設(shè)置裂紋與裂紋之間不能發(fā)生相互作用的邊界條件。未來(lái)的計(jì)算模擬仿真的研究方向應(yīng)該向裂紋與裂紋的相互作用方面進(jìn)行研究與探索。

表1 EBCs典型的失效機(jī)制匯總表

失效的控制還有包括其他方面,針對(duì)涂層結(jié)合力方面,一般來(lái)說(shuō)襯底材料表面粗糙度越大, 襯底材料的表面積越大,機(jī)械結(jié)合強(qiáng)度越強(qiáng)。借助飛秒激光在SiC/SiC-CMC表面上加工微槽結(jié)構(gòu),這樣的工藝首先不會(huì)出現(xiàn)傳統(tǒng)的邊緣裂紋和纖維拉拔現(xiàn)象;再者EBCs涂層與CMC表面形成了互鎖結(jié)構(gòu)[58]。

失效的控制還包括造粒方面,造粒工藝通常有3 種方式: 造粒燒結(jié)工藝、粉體造粒工藝、熔融破碎工藝。有的學(xué)者還提出粉體造粒工藝對(duì)涂層質(zhì)量的影響,造粒燒結(jié)工藝制備粉體具有工藝過(guò)程簡(jiǎn)化、粉體質(zhì)量好、相穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn),更適合于等離子噴涂的要求[12]。在噴涂過(guò)程中工藝參數(shù)的優(yōu)化。針對(duì)噴涂設(shè)備的一系列的工藝改善,都可以對(duì)失效進(jìn)行有效的控制。

5 展望

EBCs涂層雖然已經(jīng)發(fā)展到了第三代,但是還沒有完全成熟,發(fā)展的方向依然有很多。在標(biāo)準(zhǔn)的指定方面,對(duì)于EBCs抗水氧腐蝕目前還沒有制定出一套統(tǒng)一完備的國(guó)際或國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn),包括企業(yè)自用的標(biāo)準(zhǔn)。在文獻(xiàn)中提到的關(guān)于水氧腐蝕實(shí)驗(yàn)中設(shè)定的溫度、氣壓、氣體流量、循環(huán)次數(shù)等一系列的參數(shù)設(shè)定各異,不能讓科研工作者做統(tǒng)一的比較,因此亟待在標(biāo)準(zhǔn)的制定方面得到統(tǒng)一;其次,關(guān)于EBCs的高溫服役壽命預(yù)測(cè)方面還沒有得到充分的發(fā)展,計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)可以通過(guò)施加時(shí)間載荷以及邊界條件得到一些參數(shù)甚至形成一定規(guī)模的數(shù)據(jù)庫(kù),從而可以為壽命的預(yù)測(cè)提供相應(yīng)的參考。

在深入理解等離子體噴涂環(huán)境障涂層的高溫失效機(jī)制后,才能夠?qū)Σ牧系某煞纸Y(jié)構(gòu)及制備工藝方面進(jìn)行優(yōu)化。涂層之所以在高溫條件下發(fā)生失效,歸根結(jié)底就是涂層本身發(fā)生了劣化, 涂層內(nèi)部或界面發(fā)生了損傷。涂層為了抵抗其內(nèi)部的損傷,必然會(huì)釋放彈性應(yīng)變能,表現(xiàn)出裂紋的萌生、擴(kuò)展和傳播,發(fā)射彈性應(yīng)力波,降低其本身的自由能。因此,基于涂層失效機(jī)制的涂層成分結(jié)構(gòu)優(yōu)選及工藝優(yōu)化同樣至關(guān)重要。

5.1 EBCs材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工藝優(yōu)化

基于涂層高溫失效機(jī)制的材料成分結(jié)構(gòu)優(yōu)選方面,通過(guò)結(jié)合第一性原理和宏觀有限元的模擬設(shè)計(jì)出新的EBCs涂層,從而拓寬EBCs的材料選擇。目前學(xué)者大多是以Yb、Lu、Y等稀土元素為主,但是稀土的含量有限。 EBCs的應(yīng)該向普通元素、聚合物和高熵陶瓷方向發(fā)展。 X.F.Zhang [47]發(fā)現(xiàn)Al2O3 可以作為EBCs層,可以作為高溫下阻礙莫來(lái)石中Al和SiC的一道阻隔,可以有效地控制熱氧化物(TGO)的擴(kuò)展,這個(gè)可以為涂層的設(shè)計(jì)提供思路。 Pedro Hern??ndezRodríguez等[59]研究了復(fù)合材料聚碳硅烷(PCS) 的相關(guān)性能,發(fā)現(xiàn)Al的加入會(huì)使涂層的疏水性增加。現(xiàn)在的多層涂層中用莫來(lái)石,莫來(lái)石中含有Al元素,高溫下擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)在所難免,這個(gè)恰巧能使PCS的疏水性能上升。從疏水性角度出發(fā), 可以給未來(lái)環(huán)境障的防護(hù)水蒸氣腐蝕一些啟發(fā)。在涂層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面,仿生結(jié)構(gòu)增韌、多層膜結(jié)構(gòu)增韌、優(yōu)化涂層梯度增韌可以成為高性能EBCs的設(shè)計(jì)方案。

基于涂層制備工藝創(chuàng)新及優(yōu)化方面,不能局限于等離子噴涂這一種方法。可以采用等離子和其他方法聯(lián)合使用,張小鋒等[60] 采用等離子噴涂-物理氣相沉積技術(shù)(PS-PVD)得到的涂層孔隙率低、高致密度且莫來(lái)石非晶化的現(xiàn)象不明顯,Laura R.Turcerl等[52] 提出了T/EBCs的概念,T/EBCs是在EBCs涂層之上再?gòu)?fù)合一層TBC涂層材料[61],從而面向高于1 650℃ 的工況環(huán)境的新方向,如圖15,直觀地體現(xiàn)了T/EBCs的構(gòu)造。黃璇璇等[8] 認(rèn)為,PS-PVD有可能成為新一代T/EBCs制備的主要方法;Sivakumar Ramasamy等[62]采用基于漿料的浸漬涂覆工藝和燒結(jié)工藝;宋濤等[63]采用溶膠凝膠法制備莫來(lái)石溶膠, 通過(guò)高溫煅燒獲得莫來(lái)石涂層得到的EBCs在研究中相對(duì)研究比較少,這些研究都是給工藝創(chuàng)新方面提供了很好的思路。

進(jìn)一步,在對(duì)材料的成分結(jié)構(gòu)及工藝優(yōu)化完成之后,就要考察涂層全方位的性能,甚至包括涂層室溫條件下的性能。室溫下性能的好壞一定程度上也會(huì)反映涂層的高溫性能。涂層的室溫力學(xué)性能研究方面,同樣有很多方法值得進(jìn)一步探索和發(fā)展。 Yuto Aoki等[64]重點(diǎn)研究涂層的分層韌性和涂層結(jié)合力。 Yutaro Arai [ 等65] 更進(jìn)一步地通過(guò)剪切加載試驗(yàn),測(cè)定了EBCs體系的分層韌性。傳統(tǒng)的方法還有鼓包法、壓痕法、屈曲等方法測(cè)定涂層的一些機(jī)械性能[66-67]。

圖15 T/EBCs概念示意圖[52]

5.2 EBCs服役性能模擬計(jì)算與無(wú)損測(cè)試表征

隨著計(jì)算材料科學(xué)及無(wú)損表征技術(shù)的發(fā)展, 未來(lái)在EBCs的性能研究方面可以采用計(jì)算機(jī)模擬方法對(duì)涂層在極端服役條件下的性能進(jìn)行評(píng)估,對(duì)涂層的真實(shí)服役壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。在模擬計(jì)算的同時(shí)還可以輔助采用無(wú)損表征的手段對(duì)涂層的殘余應(yīng)力,內(nèi)部缺陷進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的測(cè)量與監(jiān)測(cè)。

計(jì)算模擬技術(shù)可以為EBCs的發(fā)展可以提供溫度場(chǎng)、應(yīng)力值、蠕變、界面優(yōu)化等方面計(jì)算,在研究EBCs的現(xiàn)階段,文獻(xiàn)中所報(bào)道的相關(guān)計(jì)算結(jié)果相對(duì)比較少,通過(guò)有限元或者邊界元等一系列的方法,模擬水氧腐蝕、高溫粒子沖蝕等一系列的腐蝕情況。為涂層服役性能測(cè)試試驗(yàn)的展開提供相對(duì)應(yīng)的參考以及補(bǔ)充。

在無(wú)損表征方面, 通過(guò)原位聲發(fā)射技術(shù)[68-70]、Micro-CT、中子散射的方法等表征EBCs涂層的裂紋、氣孔和夾雜等一系列的缺陷。原位聲發(fā)射技術(shù)通過(guò)采用在燃燒器試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)過(guò)程中同時(shí)采集聲發(fā)射信號(hào)的方法。通過(guò)對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的分析,得到了裂紋的擴(kuò)展規(guī)律。為了獲得真實(shí)有效的反映裂紋擴(kuò)展和涂層變形的聲發(fā)射信號(hào),采用了濾波技術(shù)來(lái)排除燃燒器試驗(yàn)臺(tái)過(guò)程中的噪聲干擾。基于有效聲發(fā)射信號(hào)的特征波形,采用快速傅里葉變換(FFT)和小波變換對(duì)其幅值和頻率的關(guān)鍵分布范圍進(jìn)行分析[71]。聲發(fā)射技術(shù)能較好地檢測(cè)動(dòng)態(tài)裂紋的擴(kuò)展,有利于監(jiān)測(cè)涂層裂紋的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)擴(kuò)展信息,從而能更好地預(yù)測(cè)涂層的服役壽命,已經(jīng)成為研究EBCs失效過(guò)程的非常重要的無(wú)損測(cè)試表征手段之一。通過(guò)對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的分析,建立EBCs內(nèi)部裂紋擴(kuò)展的聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)(能量、幅值、振鈴計(jì)數(shù)、計(jì)數(shù)率等)與時(shí)間之間的關(guān)系,同時(shí)分析聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)之間的關(guān)聯(lián),結(jié)合裂紋擴(kuò)展的典型的聲發(fā)射信號(hào)的波形圖,運(yùn)用聲發(fā)射信號(hào)分析方法(快速傅里葉變換,小波(包)分析,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等),建立裂紋擴(kuò)展的聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)與裂紋擴(kuò)展模態(tài)的動(dòng)態(tài)聯(lián)系。

Micro-CT在不破壞樣品的前提下,獲取材料的二維斷層序列圖。再結(jié)合水平集方法拓展到3D空間實(shí)現(xiàn)3D圖像分割獲取材料的三維分析模型,建立了反映涂層實(shí)際界面形態(tài)和孔隙分布的三維微觀結(jié)構(gòu)模型。 Wang等[72] 已經(jīng)將此技術(shù)應(yīng)用于涂層單軸拉伸損傷和破壞的三維空間演化過(guò)程。 A.K.Agrawal等[73]使用Micro-CT對(duì)在SiC上使用化學(xué)氣相沉積的涂層進(jìn)行孔隙的測(cè)定,并指出在未來(lái)此技術(shù)可以用于研究襯底表面均勻性和微觀結(jié)構(gòu)孔隙度對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的影響。

中子散射技術(shù)是指中子彈性散射,它可以有效地研究納米到微米尺度材料的靜態(tài)結(jié)構(gòu)。中子散射技術(shù)有助于研究封閉孔隙,主要是非常小的孔隙(粒內(nèi)孔隙)。此外,原位中子散射技術(shù)提供在高溫情況下孔隙微觀結(jié)構(gòu)的信息[74]。在TBCs方面有所報(bào)導(dǎo),用于EBCs檢測(cè)孔隙率相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道的較少。中子散射技術(shù)以其無(wú)損、深度測(cè)量的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)被航空公司所青睞。以此評(píng)估不同制造和加工制造工藝的有效性。飛機(jī)制造商空客公司已使用中子散射技術(shù)多年,主要用于研究涂層界面處結(jié)構(gòu)的完整性,分析并評(píng)估它們是否適用于未來(lái)的飛行器。 Anand Kulkarni等[75]早在2006 年就提出使用中子散射技術(shù)去測(cè)涂層的孔隙率。 Chris Petorak等[76] 使用中子散射技術(shù)確定層間的孔隙和構(gòu)件內(nèi)部的微小裂紋。

5.3 基于材料基因工程與機(jī)器學(xué)習(xí)加快EBCs的發(fā)展進(jìn)程

未來(lái)對(duì)EBCs的研究將借助材料基因組及人工智能,機(jī)器學(xué)習(xí)的思想及研究范式,即通過(guò)多尺度計(jì)算,高通量試驗(yàn)表征以及數(shù)據(jù)庫(kù),機(jī)器學(xué)習(xí)等手段的相互結(jié)合與融合,形成EBCs研究從原子分子層次到宏觀連續(xù)介質(zhì)體尺度的自下而上的設(shè)計(jì)再到全生命周期的考核應(yīng)用全鏈條貫通的研究范式。從多尺度計(jì)算來(lái)看,就微觀方面,主要借助第一原理從頭算的基本思想,基于密度泛函理論,從原子電子層次篩選有望用作具有更高性能的EBCs材料,從電子結(jié)構(gòu)計(jì)算層面, 如能帶性質(zhì),聲子,電子的輸運(yùn)性質(zhì),計(jì)算彈性模量,剪切模量,導(dǎo)熱系數(shù)等,結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)的手段,構(gòu)造原子之間相互作用的勢(shì)函數(shù),計(jì)算在不同溫度點(diǎn)的熱膨脹系數(shù)和不同溫度點(diǎn)的熱擴(kuò)散系數(shù),計(jì)算的這些性質(zhì)都可以作為基本參數(shù)存入數(shù)據(jù)庫(kù),從試驗(yàn)上合成這些待篩選的新型EBCs材料,同時(shí)結(jié)合試驗(yàn)表征的手段,測(cè)試材料的性能,存入數(shù)據(jù)庫(kù)。利用這些數(shù)據(jù)庫(kù),構(gòu)造材料的本構(gòu),從介觀上,構(gòu)造晶粒模型,計(jì)算其在高溫?zé)Y(jié)過(guò)程中的晶粒生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué),模擬晶粒生長(zhǎng)的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)。同時(shí)采用宏觀有限元模擬的手段,基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型,計(jì)算EBCs在制備過(guò)程如等離子體噴涂過(guò)程中的殘余應(yīng)力分布及演化規(guī)律,對(duì)EBCs涂層的各層厚度進(jìn)行優(yōu)化,同時(shí)對(duì)涂層在高溫服役過(guò)程中的溫度場(chǎng)應(yīng)力場(chǎng)變化進(jìn)行模擬計(jì)算。此外,EBCs涂層通常還服役在CMAS侵蝕,高溫水氧腐蝕以及高溫循環(huán)熱沖擊等多工況共存的條件,其外部邊界條件是一個(gè)高度非線性多物理場(chǎng)耦合的環(huán)境,因此,需要借助有限元模擬計(jì)算的手段計(jì)算涂層在此多因素耦合的環(huán)境條件下的性能演化行為。包括溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的變化,以及裂紋在此服役條件下的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展行為。由于涂層的失效最直接因素就是由于裂紋的萌生,擴(kuò)展和傳播造成的,因此未來(lái)EBCs在高溫服役條件下裂紋擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)行為研究將是EBCs研究的重要方向之一。通常來(lái)說(shuō), 模擬涂層內(nèi)部或界面處的裂紋擴(kuò)展行為主要手段有擴(kuò)展有限元法(Extended finite element method, XFEM), 虛擬裂紋閉合技術(shù)( Virtual crack closure technique, VCCT) 以及粘聚力單元模型(Cohesive zone model, CZM) 3 種技術(shù)。通過(guò)對(duì)EBCs內(nèi)部或及界面處的裂紋擴(kuò)展模擬,構(gòu)造裂紋擴(kuò)展的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程,建立裂紋擴(kuò)展速率da/dt與時(shí)間t之間的函數(shù)關(guān)系,就能夠?qū)ν繉釉诟邷胤圻^(guò)程中的壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。此外,采用原位聲發(fā)射技術(shù)能夠?qū)ν繉釉诟邷胤圻^(guò)程中的裂紋擴(kuò)展行為進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè),建立聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)(如幅值、能量、累計(jì)能量、計(jì)數(shù)率、振鈴數(shù)、中心頻率、峰值頻率等)與裂紋擴(kuò)展行為之間的動(dòng)態(tài)聯(lián)系。同時(shí)可結(jié)合采用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)(Digital image correlation, DIC)對(duì)涂層在高溫承載過(guò)程中的應(yīng)變行為進(jìn)行監(jiān)控,通過(guò)應(yīng)變的變化計(jì)算,計(jì)算涂層的屈曲失效行為。此外,通過(guò)Micro-CT技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)涂層在三維空間微缺陷(微孔隙和微裂紋)的動(dòng)態(tài)演化行為分析,進(jìn)一步結(jié)合中子衍射技術(shù),能夠?qū)ν繉痈鱾€(gè)位置處的應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量計(jì)算,對(duì)整個(gè)涂層的應(yīng)力分布有較為全面的掌握。基于計(jì)算與測(cè)量的結(jié)果,制定涂層制備工藝參數(shù)優(yōu)化的主攻方向。由于涂層制備工藝參數(shù)往往有多個(gè)獨(dú)立或協(xié)同變量,因此, 采用機(jī)器學(xué)習(xí)方法,建立參數(shù)庫(kù)集合與涂層性能之間的動(dòng)態(tài)聯(lián)系,利用大數(shù)據(jù)技術(shù),聚類分析,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等機(jī)器學(xué)習(xí)算法,實(shí)現(xiàn)EBCs制備工藝優(yōu)化,這些都將是未來(lái)EBCs研究與應(yīng)用的新型研發(fā)范式。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉巧沐,黃順洲,何愛杰.碳化硅陶瓷基復(fù)合材料環(huán)境障涂層研究進(jìn)展[J].材料工程,2018,46(10):1-8.

LIU Q M,HUANG S Z,HE A J.Development on anti-oxi-dation modification of CMC-SiC composites matrix and coat-ing[J].Journal of the Chinese Ceramic Society,2018,46(12):1700-1706(in Chinese).

[2] LEE K N.Current status of environmental barrier coatings for Si-based ceramics [J].Surface & Coatings Technology,2000,133:1-7.

[3] 李其連,崔向中.航空表面涂層技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展[J].航空制造技術(shù),2016,14:32-36,46.

LI Q L,CUI X Z.Applications and development trends of a-viation coatings[J].Aeronautical Manufacturing Technology,2016,14:32-36+46(in Chinese).

[4] 劉巧沐,黃順洲,何愛杰.碳化硅陶瓷基復(fù)合材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用需求及挑戰(zhàn)[J].材料工程,2019,47(2):1-10.

LIU Q M,HUANG S Z,HE A J.Application requirements and challenges of CMC-SiC composites on aero-engine[J].Journal of Materials Engineering,2019,47(2):1-10(in Chinese).

[5] 黃光宏,王寧,何利民,等.環(huán)境障涂層研究進(jìn)展[J].失效分析與預(yù)防,2007(1):59-64.

HUANG G H,WANG N,HE L M,et,al.Development of environmental barrier coatings on Si-based ceramics [J].Failure Analysis and Prevention,2007(1):59-64(in Chi-nese).

[6] 潘牧,南策文.SiC 基材的抗氧化腐蝕涂層的研究現(xiàn)狀與方向[J].材料保護(hù),1999(10):1-3.

PAN M,NAN C W.Oxidation barrier coatings on SiC sub-strate[J].Materials Protection,1999(10):1-3(in Chi-nese).

[7] PADTURE N P.Advanced structural ceramics in aerospace propulsion[J].Nature Materials,2016,15:804-809.

[8] 黃璇璇,郭雙全,姚改成,等.航空發(fā)動(dòng)機(jī) SiC/SiC 復(fù)合材料環(huán)境障礙涂層研究進(jìn)展 [J].航空維修與工程,2017.

HUANG X X,GUO S Q,YAO G C.et al.Research progress of environmental barrier coatings of SiC/SiC composite for aero-engine[J].Aviation Maintenance & Engineering,2017(in Chinese).

[9] 路明輝,馮志海,周延春.硅基非氧化物陶瓷表面環(huán)境障涂層的研究進(jìn)展[J].陶瓷學(xué)報(bào),2015,36(2):107-118.

LU M H,FENG Z H,ZHOU Y C.Recent research progress on environmental barrier coatings for non-oxide ceramics[J].Journal of Ceramics,2015,36(2):107-118(in Chinese).

[10] 王嶺,焦健,焦春榮.陶瓷基復(fù)合材料環(huán)境障涂層研究進(jìn)展[J].航空制造技術(shù),2014(6):50-53.

WANG L,JIAO J,JIAO C R.Research progress of environ-mental barrier coatings for SiC ceramic matrix composites [J].Aeronautical Manufacturing Technology,2014(6):50-53.(in Chinese).

[11] GUIMAR?ES J M,GARCíA E,MIRANZO P,et.al.Mul-lite-YSZ multilayered environmental barrier coatings tested in cycling conditions under water vapor atmosphere[J].Surface & Coatings Technology,2012,209:103-109.

[12] 焦春榮,焦健,陳大明,等.BSAS 噴涂粉體制備工藝及其對(duì)涂層性能的影響[J].材料工程,2016,44(8):51-57.

JIAO C R,JIAO J,CHEN D M,et al.Preparation of BSAS powders and its effect on properties of coatings[J].Journal of Materials Engineering,2016,44(8):51-57(in Chinese).

[13] XU Y,HU X X,XU F F,et al.Rare earth silicate environ-mental barrier coatings:Present status and prospective[J].Ceramic International,2017,43(8):5847-5855.

[14] LIU J,ZHANG L T,LIU Q M,et al.Calcium-magnesium-aluminosilicate corrosion behaviors of rare-earth disilicates at 1400 ℃ [J].Journal of the European Ceramic Society,2013,33:3419-3428.

[15] TIAN Z L,ZHENG L Y,ZHAO J L,et al.Exploration of the low thermal conductivities of gamma-Y2 Si2O7,beta-Y2Si2O7,beta-Yb2Si2O7,and beta-Lu2Si2O7as novel envi-ronmental barrier coating candidates[J].Journal of the Eu-ropean Ceramic Society,2016,36(11):2813-2823.

[16] WANG Y G,LIU J L.First-principles investigation on the corrosion resistance of rare earth disilicates in water vapor [J].Journal of the European Ceramic Society,2009,29:2163-2167.

[17] WANG Y G,CHEN X H,LIU W,et al.Exploration of YPO4 as a potential environmental barrier coating[J].Ceram Int,2010,36(2):755-759.

[18] DONG Y,REN K,Lu Y H,et al.High-entropy environ-mental barrier coating for the ceramic matrix composites[J].Journal of the European Ceramic Society,2019,39(7):2574-2579.

[19] GRANT K M,KR?MER S,L?FVANDER J P A,et al.CMAS degradation of environmental barrier coatings [J].Surface & Coatings Technology,2007,202(4-7):653-657.

[20] HARDER B J,Joaquin R R,Jonathan D A,et al.Chemical and mechanical consequences of environmental barrier coat-ing exposure to calcium-magnesium-aluminosilicate [J].Journal of the American Ceramic Society,2011,94:178-185.

[21] JANG B,FENG F J,SUZUTA K,et al.Corrosion behavior of volcanic ash on sintered mullite for environmental barrier coatings [J].Ceramics International,2017,43:1880-1886.

[22] AHLBORG N L,ZHU D M.Calcium-magnesium aluminosil-icate(CMAS)reactions and degradation mechanisms of ad-vanced environmental barrier coatings[J].Surface & Coat-ings Technology,2013,237:79-87.

[23] WIESNER V L,HARDE B J R,BANSAL N P.High-tem-perature interactions of desert sand CMAS glass with yttrium disilicate environmental barrier coating material[J].Ceramic International,2018,44(18):22738-22743.

[24] PENG C,KANG X J,LI G G,et al.Fabrication and lumi-nescence properties of Ca2RE8(O4)6O2:Pb21,Dy 31 (RE5Y,Gd)n one-dimensional phosphors by electrospinning method[J].Journal of the Electrochemical Society,2011,158:J208-J214.

[25] SUN Z H,WANG M Q,YANG Z,et al.Crystal structure and luminescence properties of Bi3 + activated Ca2Y8 (SiO4)6O2 phosphors under near UV excitation[J].Journal of Solid State Chemistry,2016,239:165-169.

[26] STOLZENBURG F,JOHNSON M T,LEE K N,et al.The interaction of calcium-magnesium-alumino silicate with yt-terbium silicate environmental barrier materials[J].Surface & Coatings Technology,2015,284:44-50.

[27] ZHAO H B,RICHARDS B T,Levi C G,et al.Molten sili-cate reactions with plasma sprayed ytterbium silicate coatings [J].Surface & Coatings Technology,2016,288:151-162.

[28] GARCIA E,LEE H,SAMPATH S.Phase and microstruc-ture evolution in plasma sprayed Yb2 Si2O7 coatings [J].Journal of the European Ceramic Society,2019,39:1477-1486.

[29] JIANG F R,CHENG L F,WANG Y G.Hot corrosion of RE2 SiO5 with different cation substitution under calcium-magnesium-aluminosilicate attack [J].Ceram Int,2017,43:9019-9023.

[30] 賀世美,牟仁德,陸峰,等.BSAS 環(huán)境障涂層抗水蒸汽性及其失效機(jī)理[J].失效分析與預(yù)防,2011,6(1):44-49.

HE S M,MU R D,LU F,et al.Vapor resistance and failure mechanism of BSAS environment barrier coatings[J].Failure Analysis and Prevention,2011,6(1):44-49.(in Chi-nese).

[31] 王超,喬瑞慶,吳玉勝,等.Si 基陶瓷表面環(huán)境障涂層的研究進(jìn)展[J].中國(guó)陶瓷工業(yè),2017,24(2):28-33.

WANG C,QIAO R Q,WU Y S,et al.Developments of en-vironmental barrier coatings on the Si-based ceramics [J].China Ceramic Industry,2017,24(2):28-33(in Chi-nese).

[32] FENG F J,JANG B K,PARK J Y,et al.Effect of Yb2 SiO5 addition on the physical and mechanical properties of sintered mullite ceramic as an environmental barrier coating material [J].Ceramic International,2016,42(14):15203-15208.

[33] RICHARDS B T,YOUNY K A,FRANCQUEVILLE F D,et al.Response of ytterbium disilicate-silicon environmental barrier coatings to thermal cycling in water vapor[J].Acta Materialia,2016,106:1-14.

[34] 賀世美,熊翔,何利民.新型 Yb2 SiO5 環(huán)境障涂層 1400 ℃ 高溫氧化行為[J].材料工程,2015,43(4):37-41.

HE S M,XIONG X,HE L M.High temperature oxidation behavior of new Yb2 SiO5 environmental barrier coatings at 1400 ℃ [J].Journal of Materials Engineering,2015,43(4):37-41(in Chinese).

[35] ROHBECK N,MORRELL P,XIAO P.Degradation of ytter-bium disilicate environmental barrier coatings in high temper-ature steam atmosphere[J].Journal of the European Ceramic Society,2019:3153-3163.

[36] 魯琳靜,成來(lái)飛,洪智亮,等.Ba0.25 Sr0.75Al2 Si2O8 環(huán)境障礙涂層的制備與耐水腐蝕性能研究[J].無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào),2011,26(7):701-706.

LV L J,CHENG L F,HONG Z L,et al.Fabrication and water-vapor corrosion resistance of Ba0.25 Sr0.75Al2 Si2O8 envi-ronmental barrier coating[J].Journal of Inorganic Materials,2011,26(7):701-706(in Chinese).

[37] BAKANA E,SOHNA Y J,KUNZ W,et al.Effect of pro-cessing on high-velocity water vapor recession behavior of Yb-silicate environmental barrier coatings[J].Journal of the Eu-ropean Ceramic Society,2019,39(4):1507-1513.

[38] NGUYENA S T,NAKAYAMAB T,SUEMATSU H,et al.Self-healing behavior and strength recovery of ytterbium disil-icate ceramic reinforced with silicon carbide nanofifiller [J].Journal of the European Ceramic Society,2019,39:3139-3152.

[39] SEO H I,KIM D,LEE K S.Crack healing in mullite-based EBC during thermal shock cycle[J].Coatings,2019(9):585.

[40] LEE Y,MCKRELL T J,KAZIMI M S.Thermal shock frac-ture of silicon carbide and its application to lwr fuel claddingperformance during reflood [J].Nuclear Engineering and Technology,2013,45(6):811-820.

[41] COJOCARU C V,LéVESQUE D,C.MOREAU,et al.Per-formance of thermally sprayed Si/mullite/BSAS environmen-tal barrier coatings exposed to thermal cycling in water vapor environment [J].Surface & Coatings Technology,2013,216:215-223.

[42] WANG C,WANG H J,QIAO R Q,et al.Fabrication and thermal shock resistance of β-Si3N4-based environmental barrier coating on porous Si3N4 ceramic[J].Ceramic Inter-national,2016,42:14222-14227.

[43] WANG C,CHEN M,WANG H J,et al.Fabrication and thermal shock resistance of multilayer Y2Si2O7environmental barrier coating on porous Si3N4 ceramic[J].Journal of the European Ceramic Society,2016,26:689-695.

[44] HAN J,WANG Y F,LIU R J,et al.Thermal shock be-havior of mixed ytterbium disilicates and ytterbium monosili-cates composite environmental barrier coatings[J].Surface & Coatings Technology,2018,352:348-353.

[45] 許振華,何利民,戴建偉,等.新型 La2Zr2O7 環(huán)境障涂層的 1300 ℃熱沖擊行為研究[J].真空,2014,51(3):20-25.

XU Z H,HE L M,DAI J W,et al.Investigation of new La2Zr2O7 environmental barrier coatings on high temperature thermal shock behave at 1300 ℃ [J].Vacuum,2014,51(3):20-25(in Chinese).

[46] 張小鋒,周克崧,劉敏,等.大氣等離子噴涂環(huán)境障涂層鍍Al表面改性[J].中國(guó)材料進(jìn)展,2018,37(12):978-984,993.

ZHANG X F,ZHOU K S,LIU M,et al.Al-modified envi-ronmental barrier coating prepared by atmospheric plasma spray[J].Materials China,2018,37(12):978-984,993(in chinese).

[47] ZHANG X F,ZHOU K S,LIU M,et al.Oxidation and ther-mal shock resistant properties of Al-modified environmental barrier coating on SiCf/SiC composites [J].Ceram Int,2017,43(16):13075-13082.

[48] 范金娟,常振東,陶春虎.環(huán)境障涂層失效機(jī)理研究進(jìn)展 [J].失效分析與預(yù)防,2017,12:386-391.

FAN J J,CHANG Z D,TAO C H.Research progress of fail-ure analysis of EBCs[J].Failure Analysis and Prevention,2017,12:386-391(in Chinese).

[49] WANG L,SHAO F,ZHONG X H,et al.Tailoring of self-healing thermal barrier coatings via finite element method [J].Applied Surface Science,2018,431(60-74).

[50] CHEN Y G,LU Y H,YE Q,et al.A self-healing environ-mental barrier coating:TiSi2-doped Y2Si2O7/barium stronti-um aluminosilicate coating[J].Surface & Coatings Technol-ogy,2016,307:436-440.

[51] MESQUITA G J,GARCIA E,OSENDI M I,et al.Effect of ag-ing on the onset of cracks due to redistribution of residual stres-ses in functionally graded environmental barrier coatings of mul-lite/ZrO2[J].Compos Part B-Eng,2014,61:199-205.

[52] TURCER L R,PADTURE N P.Towards multifunctional thermal environmental barrier coatings(TEBCs)based on rare-earth pyrosilicate solid-solution ceramics [J].Scripta Mater,2018,154:111-117.

[53] LEE K N,ELDRIDGE J I,ROBINSON R C.Residual stres-ses and their effects on the durability of environmental barrier coatings for SiC ceramics[J].J Am Ceram Soc,2005,88:3483-3488.

[54] NASIRI N A,PATRA N,JAYASEELAN D D,et al.Water vapour corrosion of rare earth monosilicates for environmental barrier coating application[J].Ceram Int,2017,43:7393-7400.

[55] AHLBORG N L,ZHU D M.Calcium-magnesium alumino-silicate(CMAS)reactions and degradation mechanisms of advanced environmental barrier coatings[J].Surface & Coat-ings Technology,2013,237:79-87.

[56] TIAN Z L,REN X M,LEI Y M,et al.Corrosion of RE2Si2O7(RE =Y,Yb,and Lu)environmental barrier coat-ing materials by molten calcium-magnesium-alumino-silicate glass at high temperatures [J].Journal of the European Ce-ramic Society,39:4245-4254.

[57] ZHONG X,NIU Y R,LI H,et al.Thermal shock resistance of tri-layer Yb2 SiO5/Yb2 Si2O7 /Si coating for SiC and SiC-matrix composites[J].Journal of the American Ceramic So-ciety,2018,101:4743-4752.

[58] ZHAI Z Y,WANG W J,MEI X S,et,al.Effect of the sur-face microstructure ablated by femtosecond laser on the bond-ing strength of EBCs for SiC/SiC composites [J].Optics Communications,2018,424:137-144.

[59] HERNáNDEZ R P,LóPEZ H E.Polymer derived SiC envi-ronmental barrier coatings with superwetting properties[J].Ceramics International,2017,43(14):11289-11295.

[60] 張小鋒,周克崧,劉敏,等.等離子噴涂-物理氣相沉積 Si/莫來(lái)石/Yb2 SiO5 環(huán)境障涂層 [J].無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào),2018,33(3):325-330.

ZHANG X F,ZHOU K S,LIU M,et al.Preparation of Si/Mullite/Yb2 SiO5 environment barrier coating(EBC)by plas-ma spray-physical vapor deposition(PS-PVD)[J].Journal of Inorganic Materials,2018,33(3):325-330(in Chi-nese).

[61] XU J,Sarin V K,Basu S N.Dixit stability of interfaces in hybrid EBC/TBC coatings for Si-based ceramics in corrosive environments[J].International Journal of Refractory Metals and Hard Materials,2015,49:339-349.

[62] RAMASAMY S,TEWARI S N,LEE K N,et al.Slurry based multilayer environmental barrier coatings for silicon carbide and silicon nitride ceramics-I.Processing [J].Surface & Coatings Technology,2010,205(2):258-265.

[63] 宋濤,羅瑞盈.環(huán)境障涂層用莫來(lái)石涂層材料的制備和表征研究[J].中國(guó)陶瓷工業(yè),2017,24(1):1-5.

SONG T,LUO R Y.The preparation and characterization of mullite coating material for environmental barrier coating[J].China Ceramic Industry,2017,24(1):1-5(in Chinese).

[64] AOKI Y,INOUE J,KAGAWA Y,et al.A simple method for measurement of shear delamination toughness in environ-mental barrier coatings[J].Surface & Coatings Technology,2017,321:213-218.

[65] ARAI Y,AOKI Y,KAGAWA Y.Effect of cristobalite for-mation on the delamination resistance of an oxide/Si/(SiC/SiC)environmental barrier coating system after cyclic hightemperature thermal exposure [J].Scripta Mater,2017,139:58-62.

[66] KAKISAWA H,NISHIMURA T.A method for testing the in-terface toughness of ceramic environmental barrier coatings(EBCs)on ceramic matrix composites(CMCs)[J].Jour-nal of the European Ceramic Society,2018,38:655-663.

[67] 楊麗,譚明,周文峰,等.航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片熱障涂層沖蝕試驗(yàn)裝置的研制[J].裝備環(huán)境工程,2016,13(3):48-56.

YANG L,TAN M,ZHOU W F,et al.Development of ero-sion equipment for turbine blade with thermal barrier coatings in aeroengine [J].Equipment Environmental Engineering,2016,13(3):48-56(in Chinese).

[68] 史慧揚(yáng),李海洋,王召巴,等.基于小波包能量譜的聲發(fā)射信號(hào)處理技術(shù)[J].測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào),2019,33(3):201-208.

SHI H Y,LI H Y,WANG Z B,et al.Acoustic emission sig-nal processing technology based on wavelet packet energy spectrum[J].Journal of Test and Measurement Technology,2019,33(3):201-208(in Chinese).

[69] 李雪換,底月蘭,王海斗,等.基于聲發(fā)射技術(shù)的熱障涂層損傷行為[J].材料導(dǎo)報(bào),2018,32(19):3368-3374.

LI X H,DI Y L,WANG H D,et al.Failure behavior of thermal barrier coatings based on acoustic emission technique [J].Materials Reports,2018,32(19):3368-3374(in Chinese).

[70] 劉戰(zhàn)偉,朱文穎,石文雄,等.熱障涂層無(wú)損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)展[J].航空制造技術(shù),2016(4):43-47.

LIU Z W,ZHU W Y,SHI W X,et al.Progress in the non-destructive testing of thermal barrier coatings[J].Aeronauti-cal Manufacturing Technology,2016(4):43-47(in Chi-nese).

[71] WANG L,MING C,ZHONG X H,et al.Prediction of criti-cal rupture of plasma-sprayed yttria stabilized zirconia thermal barrier coatings under burner rig test via finite element simu-lation and in-situ acoustic emission technique [J].Surface & Coatings Technology,2019,367:58-74.

[72] WANG L,LIU Y B,LI G J,et al.Simulation of damage and failure processes of thermal barrier coatings subjected to a u-niaxial tensile load [J].Materials and Design,2015,86:89-97.

[73] AGRAWAL A K,SARKAR P S,SINGH B,et al.Applica-tion of X-ray micro-CT for micro-structural characterization of APCVD deposited SiC coatings on graphite conduit [J].Ap-plied Radiation and Isotopes,2016,108:133-142.

[74] STRUNZ P,SCHUMACHER G,VA?EN R,et al.In situ small-angle neutron scattering study of La2Zr2O7 and SrZrO3 ceramics for thermal barrier coatings [J].Scripta Mater,2006,55:545-548.

[75] KULKARNI A,GOLAND A,HERMAN H,et al.Advanced neutron and X-ray techniques for insights into the microstruc-ture of EB-PVD thermal barrier coatings[J].Materials Sci-ence and Engineering A,2006,426:43-52.

[76] PETORAK C,ILAVSKY J,WANG H S,et al.Microstruc-tural evolution of 7% Y2O3 -ZrO2 thermal barrier coatings due to stress relaxation at elevated temperatures and the con-comitant changes in thermal conductivity [J].Surface & Coatings Technology,2010,205:57-65.