Thermal properties and calcium-magnesium-alumino-silicate (CMAS) interaction of novel γ-phase ytterbium-doped yttrium disilicate (γ-Y1.5Yb0.5Si2O7) environmental barrier coating material

材料科学 热障涂层 兴奋剂 涂层 硅酸盐 相(物质) 硅酸钙 冶金 化学工程 化学 复合材料 光电子学 有机化学 工程类 氧化物
作者
Buhao Zhang,Hangfeng Zhang,Mingwen Bai,Aochen Du,Ebenezer B. Owusu,Alex Lynam,Acacio Rincón Romero,Nicholas Curry,Tanvir Hussain
出处
期刊:Advanced composites and hybrid materials [Springer Science+Business Media]
卷期号:7 (2) 被引量:2
标识
DOI:10.1007/s42114-024-00879-6
摘要

Abstract Rare-earth disilicates are promising candidates for thermal and environmental barrier coatings (TEBC) in gas turbines that safeguard SiC f /SiC ceramic matrix composites (CMCs) from thermal degradation and environmental attacks. Here, we report a systematic investigation on novel TEBC material, γ-Y 1.5 Yb 0.5 Si 2 O 7 . The γ-phase quarter molar ytterbium–doped yttrium disilicate exhibited low thermal conductivity (1.72 W·m −1 ·K −1 at 1200 °C) and reduced intrinsic thermal expansion (3.17 ± 0.22 × 10 −6 K −1 up to 1000 °C), ensuring promisingly effective thermal insulation and minimized thermal stress with CMC substrates. Using density functional theory (DFT), the heat capacity of γ-Y 1.5 Yb 0.5 Si 2 O 7 was predicted higher than that of undoped γ-Y 2 Si 2 O 7 . Comparing these predictions to results calculated using the Neumann–Kopp (NK) rule revealed only minor variations. A metastable CMAS interaction byproduct, cyclosilicate phase Ca 3 RE 2 (Si 3 O 9 ) 2 , was identified based on energy dispersive X-ray spectrometer (EDS) and electron backscatter diffraction (EBSD) techniques, appearing at 1300 °C but disappearing at 1400 °C. The γ-Y 1.5 Yb 0.5 Si 2 O 7 exhibited good CMAS resistance on both dense pellets and sprayed coatings, forming a protective apatite (Ca 2 RE 8 (SiO 4 ) 6 O 2 ) interlayer that effectively hindered CMAS infiltration at evaluated temperatures. The relatively higher Y:Yb atomic ratio (> 3) in the apatite grains indicate differential reactivity with molten CMAS and provides crucial insights into the CMAS corrosion mechanism. These findings highlight the potential of γ-Y 1.5 Yb 0.5 Si 2 O 7 as a CMC coating material, emphasizing the need for tailored microstructural optimization as a thermal sprayed coating to enhance long-term performance in extreme gas turbine environments.

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