本文由中国科学院金属研究所的王京阳教授及其团队撰写，发表于2023年4月的《Acta Metallurgica Sinica》期刊上。文章主要探讨了稀土硅酸盐环境障涂层（Environmental Barrier Coating, EBC）在抗低熔点氧化物（CaO-MgO-Al2O3-SiO2，简称CMAS）腐蚀方面的研究进展，特别是通过高熵化设计提升其性能的策略。
环境障涂层是航空发动机热端部件（如涡轮叶片、燃烧室衬套等）的关键防护材料，能够有效阻挡高温燃气和环境腐蚀介质的侵蚀。碳化硅纤维增强碳化硅（SiCf/SiC）陶瓷基复合材料因其优异的高温力学性能和抗蠕变性能，被广泛应用于新一代航空发动机的热端部件。然而，SiCf/SiC材料在1200℃以上的高温环境中容易受到水氧腐蚀，导致材料失效。因此，环境障涂层成为保护这些材料的关键。
稀土硅酸盐因其与SiCf/SiC材料匹配的热膨胀系数和良好的化学相容性，成为当前国际公认的环境障涂层优选材料。然而，现有的稀土硅酸盐材料在1300℃及以上的高温环境下，抗CMAS腐蚀性能不足，难以满足新一代航空发动机的需求。CMAS是发动机运行时吸入的灰尘、砂砾等形成的低熔点氧化物沉积物，当温度超过其熔点时，CMAS会与环境障涂层发生剧烈反应，导致涂层失效。
本文旨在通过高熵化设计，提升稀土硅酸盐材料的抗CMAS腐蚀性能。高熵化设计是一种通过引入多种稀土元素，利用其协同效应来优化材料性能的策略。本文总结了近年来稀土硅酸盐抗CMAS腐蚀的研究进展，并提出了通过多稀土主元设计来提升材料性能的思路。
本文首先回顾了稀土硅酸盐材料在抗CMAS腐蚀方面的研究现状，重点介绍了单一稀土主元单/双硅酸盐的CMAS腐蚀机理。在此基础上，提出了高熵化设计的思路，即通过合理设计多稀土主元的搭配，利用不同稀土元素在与CMAS反应过程中的特性差异，提升材料的抗腐蚀性能。
研究团队首先对单一稀土主元单硅酸盐（X2-RE2SiO5）和双硅酸盐（RE2Si2O7）的CMAS腐蚀性能进行了系统研究。研究发现，不同稀土元素的单硅酸盐在CMAS腐蚀下的表现存在显著差异。例如，含有较大稀土离子半径的单硅酸盐（如Tb2SiO5、Dy2SiO5和Ho2SiO5）与CMAS反应剧烈，生成的反应层较厚且伴随大量孔洞；而含有较小稀土离子半径的单硅酸盐（如Tm2SiO5、Yb2SiO5和Lu2SiO5）则表现出优异的抗CMAS腐蚀性能，反应层较薄且无孔洞。
基于单一稀土主元硅酸盐的研究结果，研究团队提出了高熵化设计的思路。高熵化设计通过引入多种稀土元素，利用其协同效应来优化材料的抗CMAS腐蚀性能。高熵材料具有高熵效应、扩散迟滞效应、晶格畸变效应和鸡尾酒效应等特性，能够显著提升材料的抗腐蚀性能。
研究团队设计并制备了多种高熵稀土硅酸盐材料，如（Y1/4Ho1/4Er1/4Yb1/4）2SiO5和（Ho1/4Er1/4Yb1/4Lu1/4）2SiO5，并对其抗CMAS腐蚀性能进行了系统研究。结果表明，高熵稀土硅酸盐材料的抗CMAS腐蚀性能显著优于单一稀土主元材料。例如，在1300℃下，高熵稀土单硅酸盐的反应层厚度比单一稀土主元材料的平均值减少了25%以上。
通过高熵化设计，研究团队成功提升了稀土硅酸盐材料的抗CMAS腐蚀性能。高熵稀土硅酸盐材料在1300℃和1500℃下的CMAS腐蚀实验中表现出优异的抗腐蚀性能，反应层厚度显著减小，且无明显的孔洞和裂纹。研究结果表明，高熵化设计为稀土硅酸盐材料的抗CMAS腐蚀性能优化提供了新的途径。
本文的研究为新一代航空发动机环境障涂层的设计提供了重要的理论依据和技术支持。通过高熵化设计，稀土硅酸盐材料的抗CMAS腐蚀性能得到了显著提升，能够满足1300℃及以上高温环境的应用需求。此外，高熵化设计还为其他高温材料的性能优化提供了新的思路。
尽管高熵稀土硅酸盐材料在抗CMAS腐蚀方面表现出优异的性能，但其在实际应用中的长期稳定性和可靠性仍需进一步研究。未来的研究可以进一步优化高熵稀土硅酸盐材料的成分设计，探索其在更高温度下的抗腐蚀性能，并推动其在实际航空发动机中的应用。