本文由中国科学院金属研究所的田志林和王京阳撰写，发表于2018年10月的《现代技术陶瓷》期刊第39卷第5期。文章主要探讨了稀土硅酸盐陶瓷材料的研究进展，特别是其在燃气轮机中的应用潜力。稀土硅酸盐陶瓷因其优异的抗水蒸气腐蚀性能和较低的热膨胀系数，被认为是下一代硅基陶瓷环障涂层的候选材料。近年来，研究发现部分稀土硅酸盐陶瓷具有较低的热导率，使其兼具隔热和抗腐蚀性能，有望成为硅基陶瓷环/热障一体化涂层材料。
燃气轮机在航空、航天、船舶和车辆等领域有着广泛的应用，同时也是高效的发电装置。随着化石燃料等不可再生能源的日益短缺，追求节能、高效、高推重比的燃气轮机成为未来发展的方向。燃气轮机的热效率和核心动力直接取决于燃气的进口温度，提高燃气进口温度可以显著提升燃气轮机的热效率。然而，目前燃气轮机的关键热端部件材料（如涡轮叶片、导向器叶片、涡轮盘等）主要以高温合金为主，其在1200°C以下可以保持较高强度，但随着温度的进一步提高，高温合金将达到其熔点而无法工作。
陶瓷基复合材料突破了高温合金的温度极限，有望逐步取代合金材料作为燃气轮机的热结构部件。硅基陶瓷具有优异的高温性能，是理想的高温结构材料，可以作为未来发动机热端结构的首选材料。然而，硅基陶瓷在高温水蒸气环境中表现出较差的抗腐蚀性能，限制了其在热结构部件方面的应用。研究表明，在基体表面施加环障涂层可以有效解决这一问题。
稀土硅酸盐陶瓷主要包括稀土单硅酸盐（Re2SiO5）、稀土双硅酸盐（Re2Si2O7）和磷灰石结构稀土硅酸盐（Re9.33(SiO4)6O2）。这些材料具有良好的相稳定性和抗腐蚀能力，成为目前研究的硅基陶瓷环障涂层热门材料。
稀土单硅酸盐（Re2SiO5）：根据稀土离子半径的不同，稀土单硅酸盐形成两种多形相，分别为X1相和X2相。X1相由稀土离子半径较大的稀土元素形成，而X2相由稀土离子半径较小的稀土元素形成。X2-Re2SiO5具有较低的杨氏模量，适合作为涂层材料，且其单晶材料的杨氏模量呈现较强的各向异性。
稀土双硅酸盐（Re2Si2O7）：稀土双硅酸盐具有多种多形相，不同稀土元素形成的Re2Si2O7具有不同的晶体结构。其中，β-Yb2Si2O7和β-Lu2Si2O7是两种不存在相变的材料，具有优异的相稳定性和较低的热膨胀系数，是有前景的硅基陶瓷环/热障涂层候选材料。
磷灰石结构稀土硅酸盐（Re9.33(SiO4)6O2）：这种材料的热膨胀系数较高，与硅基陶瓷的热膨胀系数相差较大，因此不适合作为硅基陶瓷的环/热障涂层材料。
稀土硅酸盐陶瓷的力学性能对其作为涂层材料的应用至关重要。研究表明，X2-Re2SiO5具有较低的杨氏模量，适合作为涂层材料，且其单晶材料的杨氏模量呈现较强的各向异性。通过无压/热压相结合的烧结方法可以合成纯相块体X2-Re2SiO5材料。实验测得的杨氏模量、剪切模量和体模量随着稀土离子半径的减小而增大，但泊松比没有明显的稀土元素依赖性。
稀土双硅酸盐β-Yb2Si2O7和β-Lu2Si2O7具有较低的剪切模量与体模量比值（G/B）和较高的断裂韧性与弯曲强度比值（KIC/σ），表现出良好的损伤容限。这些材料在室温下可以发生一定程度的塑性变形，且在高温下也可以发生塑性变形，表现出优异的抗损伤容限。
低热导率是材料能否作为隔热涂层的一个关键性能指标。稀土硅酸盐属于复杂的单斜晶系，含有重的稀土原子，具有低热导率。通过实验和理论计算，发现X2-Re2SiO5的极限热导率非常低，都在1 W·m-1·K-1附近，说明它们是潜在的隔热材料。
稀土硅酸盐的热膨胀系数决定了热循环过程中热应力的大小，热膨胀系数的较好匹配有利于提高涂层材料的可靠性，延长涂层的寿命。X2-Re2SiO5的热膨胀系数随温度升高缓慢增加，与硅基陶瓷的热膨胀系数较为接近，其中Lu2SiO5的热膨胀系数与硅基陶瓷最为接近。
稀土硅酸盐陶瓷在高温环境中服役时，需要具备抗低熔点熔盐（CMAS）腐蚀的能力。研究表明，稀土硅酸盐与CMAS之间的腐蚀反应机理非常复杂，主要包括稀土硅酸盐溶解于CMAS熔盐中、磷灰石相Ca2Re8(SiO4)6O2从CMAS熔盐中析出以及残余的CMAS相与稀土硅酸盐相达到浓度平衡等过程。稀土硅酸盐与CMAS的反应可以有效减缓CMAS对涂层的侵蚀，延长涂层的使用寿命。
稀土硅酸盐陶瓷因其优异的抗水蒸气腐蚀性能、较低的热导率和良好的热膨胀系数匹配性，成为硅基陶瓷环/热障一体化涂层的候选材料。未来的研究方向应集中在进一步优化稀土硅酸盐的力学性能和热学性能，特别是通过掺杂等方法降低其热膨胀系数，以提高其与硅基陶瓷的匹配性。此外，稀土硅酸盐与CMAS的腐蚀反应机理仍需进一步深入研究，以开发出更具抗腐蚀性能的涂层材料。
总之，稀土硅酸盐陶瓷在燃气轮机中的应用前景广阔，未来的研究将进一步推动其在高温环境下的应用。