科学家对航空燃气轮机发动机耐热涂层材料的氧化反应进行研究

在飞机上广泛使用的航空燃气轮机发动机的某些部分经常达到1,200℃以上的温度。毋庸置疑，在这种恶劣环境下使用的任何材料都必须是耐用的，并且能够胜任这一任务。

最近，由碳化硅（SiC）制成的陶瓷基体复合材料作为燃气轮机发动机的候选材料引起了人们的兴趣。

然而，这些材料需要一个耐热的涂层，以防止SiC的氧化和随后的SiO2的蒸发，这是一个导致材料体积减少的过程，因此，结构缺陷，如大裂缝或最上层剥落。

遗憾的是，现有的涂覆层不能完全阻止这种氧化成SiO2的过程，因为氧气可以通过这些涂覆层中的微观裂缝或简单的扩散来渗透。

为了解决这个问题，一些科学家集中使用硅化镱(Yb-Si)作为涂层材料，因为Yb-Si可以达到很高的熔点，而且它们的氧化物主要是Yb-硅酸盐，作为氧化层保持附着，不容易蒸发。

然而，对于这些材料在高温下，无论是空气还是水蒸气环境中发生的基本现象，人们了解的并不多。

在最近发表在《Intermetallics》上的一项研究中，由东京理科大学的井上亮副教授、新井雄太郎助理教授和工藤康夫教授，以及日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）的青木拓也高级研究员等组成的科学家团队，着手了解Yb-Si的氧化机制。

他们进行了各种实验，以深入了解不同Yb-Si涂层在空气、水蒸气和两者混合的三种大气下的高温氧化行为（和降解）。

其中一个主要发现是Yb与Si的比例是决定材料氧化行为的主要因素；Yb5Si3比Yb3Si5氧化得更多，因为Yb在硅化物中优先氧化。此外，在更多的水蒸气丰富的大气中，氧化物的数量大大减少。

最重要的是，研究人员探讨了镱含量对SiO2形成的影响机制。"两种硅化物在蒸汽中受热后，我们在Yb5Si3中发现了SiO2，而Si实际上仍然存在于Yb3Si5中，"领导这项研究的Inoue博士说。

"我们的分析表明，SiO2的生长在Yb3Si5中受到抑制，因为SiO2参与了形成Yb-硅酸盐的反应，并且是这些反应的限制因素，"他补充道。虽然导致各种Yb-硅酸盐形成的确切中间反应还没有完全了解，但该团队提出了两种极有可能的反应途径。

这很可能会通过未来的研究与更详细的表征技术来澄清。

总的来说，这项研究为了解Yb-Si氧化过程中发生的情况提供了有意义的见解，这将有助于航空燃气涡轮发动机保护涂层的开发。"如果能够实现能够承受更恶劣环境的涂层，发动机部件将变得更加耐热，自然会带来更高的发动机效率。"Inoue博士表示。

希望涂层技术的进一步进步能够降低航空运输成本和燃料消耗，使飞行成本更低，对环境的危害更小。