本文由郑伟、张佳平和杨翠波共同撰写，发表于2021年6月的《纤维复合材料》期刊。三位作者均来自中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司。文章主要探讨了陶瓷基复合材料（Ceramic Matrix Composites, CMCs）表面防护的环境障涂层（Environmental Barrier Coatings, EBCs）的研究进展，特别是针对高温水氧腐蚀和钙镁铝硅酸盐（Calcium-Magnesium-Aluminosilicate, CMAS）侵蚀的防护性能进行了详细分析。

研究背景与意义

陶瓷基复合材料，尤其是硅基非氧化物陶瓷如Si3N4和SiC，因其优异的物理性能和高温力学性能，在航空发动机的热端部件中展现出巨大的应用潜力。然而，这些材料在高温水蒸气环境下容易发生性能退化（即水氧腐蚀），并且易受CMAS高温熔盐侵蚀。为了应对这些挑战，环境障涂层（EBCs）被引入，作为防护涂层，能够在高温结构材料和发动机工作环境之间建立屏障，减少腐蚀性介质对材料性能的影响。

环境障涂层材料的选择

环境障涂层的选材需要考虑多个关键因素，包括环境稳定性、界面结合力、化学相容性和低内应力。此外，为了减少冷却空气流量，涂层还需具备较低的热导率。通过对比分析，难熔硅酸盐如莫来石、BSAS（Barium Strontium Aluminosilicate）和稀土硅酸盐与SiC基体的热膨胀系数相近，因此成为CMCs环境障涂层的主要选材。特别是稀土硅酸盐，由于其热膨胀系数低、高温稳定性好，被认为是未来环境障涂层发展的方向。

环境障涂层性能研究

文章详细介绍了稀土硅酸盐环境障涂层在抗氧化性能、高温水氧腐蚀性能和抗CMAS侵蚀性能方面的研究进展。

1. 抗氧化性能：研究表明，稀土硅酸盐环境障涂层在高温氧化环境下表现出良好的稳定性。例如，范金娟等人通过化学气相沉积与等离子喷涂相结合的方法制备的Si/Mullite/Er2SiO5涂层在1350℃下表现出长期稳定的氧化行为。然而，涂层失效的主要原因是粘结层的氧化和热膨胀系数差异导致的残余应力。

2. 高温水氧腐蚀性能：稀土硅酸盐环境障涂层在高温水蒸气环境下的抗腐蚀性能显著优于BSAS。例如，Shunkichi Ueno等人通过等离子喷涂工艺制备的多层EBC系统在1300℃下经过500小时的高温蒸汽暴露试验后，仍能保持良好的稳定性。尽管涂层表面出现了一些气孔和裂纹，但整体性能仍然优异。

3. 抗CMAS侵蚀性能：随着航空发动机工作温度的提升，CMAS侵蚀成为涂层失效的新模式。研究表明，稀土硅酸盐如Yb2Si2O7在高温下与CMAS的反应较弱，能够有效抵御CMAS的侵蚀。相比之下，Yb2SiO5与CMAS的反应较为强烈，容易形成硅酸盐氧基磷灰石，导致涂层失效。

国内EBC涂层研究进展

国内在EBC涂层材料选材、制备工艺和环境性能考核方面也取得了一定的进展。例如，中科院金属研究所王京阳课题组通过声子调控策略优化了稀土硅酸盐的热膨胀系数，提高了涂层的服役可靠性。北京航空航天大学郭洪波课题组则通过等离子-物理气相沉积（PS-PVD）工艺制备了致密的Yb2SiO5面层，显著提升了涂层性能。

结论与展望

文章指出，稀土硅酸盐环境障涂层在高温水氧腐蚀和抗CMAS侵蚀方面表现出优异的性能，代表了未来环境障涂层的发展方向。然而，涂层的长期服役可靠性仍需进一步研究，特别是在热膨胀系数匹配、化学相容性和结构稳定性方面。未来的研究应集中在新型环境障涂层材料及结构设计、制备工艺优化以及环境性能考核评价体系的建立上，以满足航空发动机对高性能防护涂层的需求。

研究亮点

1. 稀土硅酸盐的优异性能：稀土硅酸盐环境障涂层在高温水氧腐蚀和抗CMAS侵蚀方面表现出显著优势，特别是在高温稳定性、抗热震能力和化学相容性方面。
2. 国内研究的突破：国内研究团队在稀土硅酸盐材料的热膨胀系数优化、涂层制备工艺和环境性能考核方面取得了重要进展，为未来EBC涂层的应用提供了有力支持。
3. 未来研究方向：文章提出了未来EBC涂层研究的重点方向，包括新型材料及结构设计、制备工艺优化以及环境性能考核评价体系的建立，为相关领域的研究提供了重要参考。

总的来说，本文系统总结了环境障涂层在陶瓷基复合材料表面防护中的研究进展，特别是稀土硅酸盐涂层的优异性能及其在航空发动机中的应用前景，为未来相关领域的研究和开发提供了重要的理论依据和实践指导。