Sm?O?-SiO?、Yb?O?-SiO?和Lu?O?-SiO?体系相图的热力学建模

《Calphad》：Thermodynamic modeling of phase diagrams in Sm 2O 3-SiO 2, Yb 2O 3-SiO 2 and Lu 2O 3-SiO 2 systems

采用CALPHAD方法建立Sm?O?-SiO?、Yb?O?-SiO?和Lu?O?-SiO?系统的热力学模型，通过对比实验数据验证了模型的自洽性和可靠性，为稀土硅酸盐环境屏障涂层设计提供理论基础。

　　

万欣|戴文轩|潘宏洋|皮志鹏|张帆

湖南湘潭大学材料科学与工程学院，中国湘潭411105

摘要

对Sm₂O₃-SiO₂、Yb₂O₃-SiO₂和Lu₂O₃-SiO₃的热力学建模是开发稀土硅酸盐体系热力学数据库的更广泛努力的一部分，为设计燃气轮机发动机的环境屏障涂层（EBCs）提供了关键见解。本研究旨在为Sm₂O₃-SiO₂、Yb₂O₃-SiO₂和Lu₂O₃-SiO₃体系推导出一组自洽的热力学参数。采用离子双晶格模型来描述液相，并且由于这些二元相的溶解度可以忽略不计，因此将它们视为化学计量化合物。利用CALPHAD（相图计算）方法，在现有实验相图数据和热力学性质的帮助下对这些二元体系进行了热力学优化。通过将实验结果与我们的计算结果进行全面比较，可以发现计算出的相图和热力学性质与现有实验数据吻合良好。这证实了我们热力学描述的合理性，为基于RE₂O₃-SiO₃体系的更高阶体系的热力学计算提供了可靠的基础。

引言

由于SiC陶瓷基复合材料（CMCs）在高温下的优异机械性能和稳定性，它们已成为高推重比航空发动机热端部件的关键候选材料[[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10]]。然而，高温水蒸气引起的降解、钙镁铝硅酸盐（CMAS）熔盐腐蚀以及燃烧室环境中的氧化失效等问题严重限制了它们在极端服役条件下的工程应用[[11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19]]。开发环境屏障涂层是SiC陶瓷基复合材料在燃气轮机热端部件中应用的关键技术。目前，基于镱和钇的硅酸盐以及稀土硅酸盐材料被认为是最有前途的涂层材料体系，因为它们具有合适的热膨胀系数（4-6 × 10^?6/K）、化学兼容性和相稳定性[[20], [21], [22], [23]]。在稀土氧化物-二氧化硅（RE₂O₃-SiO₃）体系的相图中[[24], [25], [26], [27]]，常见的中间化合物包括二硅酸盐（RE₂Si₂O₇）、单硅酸盐（RE₂SiO₅）和磷灰石型相（RE_9.33Si₆O₂₆）。由于其晶体结构和熔化行为，二硅酸盐和单硅酸盐被认为是环境屏障涂层（EBCs）的潜在候选材料[8,[21], [22], [23]]。准确了解RE₂O₃-SiO₃体系的相图和热力学性质对于设计先进的EBC材料至关重要。尽管在燃气轮机发动机中已有技术应用，但某些RE₂O₃-SiO₃体系的热力学建模仍然不可用。本研究旨在通过CALPHAD（相图计算）方法对RE₂O₃-SiO₃（RE = Sm, Yb, Lu）体系进行热力学评估，从而获得一组自洽的热力学参数。

部分内容

Sm₂O₃-SiO₃体系

Toropov等人[24]对Sm₂O₃-SiO₃体系的相平衡和热力学性质提供了详细的实验信息回顾。现有实验数据表明，在Sm₂O₃-SiO₃体系中形成了三种化学计量化合物：Sm₂Si₂O₇、Sm₂SiO₅和Sm₄Si₃O₁₂。此外，Bondar[27]将具有磷灰石型结构的Sm₄Si₃O₁₂修正为Sm_9.33Si₆O₂₆，这一结果与其他稀土氧化物-二氧化硅体系的观察结果一致[25]。在高

热力学建模

本研究采用Thermo-Calc软件包[42]，基于CALPHAD（相图计算）方法[43]，对Sm₂O₃-SiO₃、Yb₂O₃-SiO₃和Lu₂O₃-SiO₃体系进行了热力学评估和相图计算。本工作中采用的热力学模型如下所述。

结果与讨论

使用Thermo-Calc软件对Sm₂O₃-SiO₃、Yb₂O₃-SiO₃和Lu₂O₃-SiO₃二元体系进行了热力学评估。该软件中的PARROT模块能够同时处理多种类型的实验数据，并根据各个实验数据集的不确定性分配权重，从而实现对多类型实验数据的综合处理。本研究采用了逐步优化策略。

结论

RE₂O₃-SiO₃体系由于其优异的高温稳定性和化学兼容性，在环境屏障涂层（EBCs）中具有重要的应用潜力。本研究重点关注了Sm₂O₃-SiO₃、Yb₂O₃-SiO₃和Lu₂O₃-SiO₃体系的热力学建模。采用离子双晶格模型来描述液相，并将所有中间相视为化学计量化合物。通过对实验相图的系统评估

CRediT作者贡献声明

万欣：撰写——初稿，研究，正式分析，数据管理。戴文轩：研究，数据管理。潘宏洋：验证，正式分析。皮志鹏：撰写——审阅与编辑，监督。张帆：撰写——审阅与编辑，监督，方法论，资金获取，正式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：52171015）和湘潭大学的研究启动项目（编号：18QDZ24）的支持。