【摘 要】
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热障涂层（TBCs）是航空发动机涡轮叶片的核心技术之一。近年来,一种主要成分为CaO-MgO-Al2O3-SiO2（CMAS）的环境沉积物腐蚀成为热障涂层失效的重要原因,引起极大关注。本文研究了CMAS的自结晶行为,提出了一种MAX相的Ti2AlC作为热障涂层的CMAS防护层材料,研究了Ti2AlC与CMAS的高温反应行为及反应结晶产物特征,阐明了Ti2AlC促使CMAS反应结晶机理,明确了其阻熔
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热障涂层（TBCs）是航空发动机涡轮叶片的核心技术之一。近年来,一种主要成分为CaO-MgO-Al2O3-SiO2（CMAS）的环境沉积物腐蚀成为热障涂层失效的重要原因,引起极大关注。本文研究了CMAS的自结晶行为,提出了一种MAX相的Ti2AlC作为热障涂层的CMAS防护层材料,研究了Ti2AlC与CMAS的高温反应行为及反应结晶产物特征,阐明了Ti2AlC促使CMAS反应结晶机理,明确了其阻熔融CMAS渗透机制,为热障涂层的CMAS防护研究提供理论依据。采用熔融急冷法制备了成分为33CaO-9MgO-13AlO1.5-45SiO2（mol%）的CMAS玻璃。DSC结果表明其在中温区间（～950℃-1230℃）会发生自结晶。研究了CMAS在升温（升温至1050℃、1150℃和1250℃,升温速度为10℃/min和3℃/min）、冷却（空冷、炉内开门冷、炉冷和10℃/min冷）和恒温（1150℃保温0.5h和1.5h）过程中的自结晶行为及影响因素。结果表明,CMAS的自结晶程度与其在结晶区间的停留时间呈正相关,自结晶产物为黄长石、透辉石、硅灰石和钙长石,并随热处理峰值温度和保温时间发生相演变。研究了Ti2AlC及其预氧化状态与CMAS的高温作用行为。经CMAS作用下的1250℃,0.5h热处理,Ti2AlC表面形成了以Al2O3、钙长石和黄长石为主的结晶层。对Ti2AlC进行1200℃,10h的预氧化处理,其表面形成了内层Al2O3和外层Ti O2的双层膜结构;预氧化的Ti2AlC经1250℃,1min、2h、8h和16h的CMAS作用后,表面只形成一层连续的钙长石,其数量、形貌随反应时间无显著变化。采用溶解流动法去除CMAS中的Ti以及设计Ti2AlC预氧化条件、CMAS-Ti混合粉末等改变体系中的Ti含量,探究Ti及其含量对CMAS结晶的影响。结果表明,Ti以析出相或以溶质形式存在均可促进CMAS结晶;但当Ti以溶质形式存在时,存在一个临界的Ti含量（1.53 mol%）触发CMAS结晶,其促结晶效果随Ti含量的增加而增强,直至Ti含量超出溶解度而发生析出。CMAS作用下,Ti2AlC及其预氧化样品表面都可以通过形成一致密结晶层有效阻止熔融CMAS渗透,但预氧化后的Ti2AlC抗腐蚀性能更优,原因在于预形成的致密Al2O3层既可以加速钙长石生成又可以封堵CMAS的渗透路径。
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