碳化硅陶瓷基复合材料在航空发动机上的应用需求及挑战

随着航空发动机推重比的不断提高,急需发展轻质、高强韧、耐高温、长寿命、抗烧蚀、抗氧化的碳化硅陶瓷基复合材料(SiC matrix ceramic composites,CMC-SiC),以满足航空发动机愈加苛刻的服役要求。本文简要介绍了CMC-SiC复合材料的特点和制备方法,综述了CMC-SiC复合材料在国外先进航空发动机热端部件上的应用进展及国内的研究现状。从工程化角度,指出了国内在高性能纤维、构件设计及制备、环境障涂层、无损检测技术、考核验证方法、修复技术等方面存在的差距及需突破的关键技术,指出了今后国内的研究目标与发展方向。     

大气等离子喷涂环境障涂层镀Al表面改性

陶瓷基复合材料(CMC)由于具有较低的密度(高温合金的1/3～1/4)、较高的服役温度(比高温合金高200～240℃)以及良好的结构强度(高温合金的2倍),已成为未来大推重比航空发动机热端部件的首选材料。发动机服役过程中,热端部件完全暴露于空气气氛中,服役环境恶劣,以Si C/Si C为代表的CMC部件直接面临着腐蚀、烧蚀、冲刷等问题,因此急需开展一类高性能CMC热防护涂层即环境障涂层(EBCs)的研究。通过大气等离子喷涂在SiC/SiC CMC基体表面制备硅/莫来石/硅酸镱(Yb2SiO5)三层结构EBCs。为提高EBCs服役性能,对涂层样品进行镀Al表面改性即采用磁控溅射技术在涂层表面镀Al全包覆,然后对其进行真空热处理。在高温低真空下,涂层表面Al膜发生熔融并在毛细管力的作用下往多孔涂层内部渗透并与Yb_2SiO_5发生原位反应,在涂层表面形成一层致密α-Al_2O_3层。对喷涂态及镀Al表面改性涂层进行典型模拟服役环境性能对比实验,发现镀Al表面改性EBCs具有较好的抗高温水氧及耐CMAS(CaO-MgO-Al_2O_3-Si O_2)腐蚀性能。另外,通过实验观察,原位形成的α-Al_2O_3致密层对涂层的热循环性能无明显影响。     

环境障碍涂层研究综述

环境障碍涂层(Environment barrier coating,EBC)能够解决构件在燃气环境中长时间腐蚀的问题,从而成为航空发动机材料研究的热点.从材料体系、制备工艺、性能考核和表征方法4个方面综述了目前EBC的研究成果.通过对目前国内外研究成果的总结和分析,提出了EBC当前研究存在的问题,并展望了EBC进一步研究的方向.     

陶瓷基复合材料表面环境障涂层材料研究进展

随着新一代航空发动机推重比的不断提升,其内部燃气温度已经远远超过传统高温合金的承温极限,因此亟待研发新材料来满足先进航空发动机的发展需求。SiC_f/SiC陶瓷基复合材料具有优异的高温力学性能和高温抗氧化性能,且其密度较低,是下一代高性能航空发动机热端部件的理想结构材料。但是,SiC_f/SiC材料在实际服役环境中同样面临着严重的氧化腐蚀问题,因此需要使用能够阻隔水氧介质的环境障涂层(EBCs)来提高SiC_f/SiC材料的耐腐蚀性能,进而延长航空发动机热端部件的服役寿命。在阐明SiC_f/SiC材料水氧腐蚀机制的基础上,进一步总结了EBCs的设计原则和发展历程,并重点比较了各种涂层材料体系的优缺点及性能差异,为未来先进航空发动机陶瓷基复合材料热端部件用EBCs材料的研制提供借鉴。     

双硅酸镱环境障涂层的高温水氧腐蚀机理研究

陶瓷基复合材料构件在航空发动机燃气环境中面临严重的水氧腐蚀退化问题,在构件表面采用环境障涂层进行热防护是提高陶瓷基复合材料部件的高温性能、延长其使用寿命的有效措施。环境障涂层的高温稳定性对部件的结构完整性具有重要影响。为了探明环境障涂层在高温下的水氧腐蚀失效行为和机理,针对大气等离子喷涂(APS)Yb₂Si₂O₇/莫来石/硅体系的环境障涂层系统,开展了其在1 350℃、90%(体积分数)H₂O-10%O₂水/氧蒸汽环境中的静态高温水氧腐蚀试验,采用XRD、SEM、EDS等材料表征分析手段,研究涂层在高温静态水氧腐蚀环境中的失效行为,获得EBCs涂层微观结构及物相在腐蚀过程中的演变规律,揭示EBCs涂层的失效机理。结果表明：表面的Yb₂Si₂O₇与环境中的氧化剂(主要为水)反应生成挥发性物质Si(OH)₄,导致Yb₂Si₂O₇被...     

高温固体润滑涂层最新研究与进展

近年来,高温固体润滑涂层在许多领域得到了快速的发展,各种新型涂层材料及其制备工艺日益成为研究的热点.在综合大量最新文献资料的基础上,对高温固体润滑涂层中的材料体系(主要包括基体材料、润滑材料、耐磨材料)、涂层结构设计、涂层制备工艺取得的进展进行了综述,指出了值得关注的材料体系和制备工艺,提出了固体润滑涂层有待进一步研究的问题.     

陶瓷基高温自润滑复合涂层的制备及摩擦学性能研究进展EI北大核心CSCD

摩擦磨损大多数情况下不利于机械设备,我国作为机械制造大国,降低摩擦磨损对工业进步及可持续发展有重大意义。陶瓷基高温自润滑复合涂层作为工业应用中常见体系之一,主要以硬质陶瓷为基体,并掺杂润滑材料作为第二相组成,使其一方面继承陶瓷相优异的高温稳定性及强度,另一方面提高在常见摩擦环境下的润滑性能,因此被广泛应用于船舶、航空航天、生物科技、高速列车等领域,受到研究人员的广泛关注与探索。本文以陶瓷基高温自润滑复合涂层为中心,首先阐述复合涂层及固体润滑材料的基本分类;其次综述不同制备方法的最新研究进展,重点关注工艺参数对制备陶瓷基高温自润滑涂层性能的影响及改善方法;然后归纳改善陶瓷基高温自润滑复合涂层表面摩擦学性能的关键因素,探讨了提升减摩耐磨性能的可行性和研究潜力;最后总结目前陶瓷基高温自润滑复合涂层存在的问题,主要有以下2点:(1)对复合涂层的物相分析仍以解释现象为主,没有完整的理论基础;(2)对不同制备工艺下复合涂层结构和摩擦学性能的改善手段较单一。因此提出相应的解决办法以及未来可能的发展方向:(1)研究陶瓷基体和不同润滑相、附加组元、高温环境的协同作用机理,建立系统的理论基础;(2)针对不同制备工艺的成型机理,重点研究工艺参数的协同作用对复合涂层微观结构形成的影响,扩展制备工艺的改善方法。     

激光熔覆制备高熵合金涂层耐磨性研究进展

机械零部件的摩擦磨损主要发生在材料表面,约有80%的零件工作失效是由表面磨损造成的。摩擦磨损增加了材料和能量的损耗,降低了可靠性和安全性。使用激光熔覆技术在基体表面制备高熵合金涂层的方法,能够使涂层与基体实现良好的冶金结合,以达到提升表面耐磨性能的目的。影响高熵合金涂层耐磨性的因素主要有涂层材料的力学性能,如硬度、塑性和韧性;熔覆过程中产生的缺陷,如表面粗糙不平、气孔和裂纹;摩擦工况,如高温环境和腐蚀环境。本文分析总结了激光熔覆高熵合金涂层的耐磨性影响因素及强化机制。首先,阐明了激光工艺参数(激光功率、激光扫描速度、光斑直径)和后处理工艺(热处理和轧制)对涂层质量及性能的影响;其次,概述了组元元素选择、高温环境和腐蚀环境对涂层耐磨性的影响;最后,对激光熔覆技术制备高熵合金涂层存在的问题进行归纳分析,并对未来的发展趋势进行了展望,如基于远平衡态的材料设计理论研发新材料、利用电场-磁场协同或激光-超声振动复合等新工艺提升涂层耐磨性等。     

激光熔覆制备高熵合金涂层耐磨性研究进展

机械零部件的摩擦磨损主要发生在材料表面,约有80%的零件工作失效是由表面磨损造成的。摩擦磨损增加了材料和能量的损耗,降低了可靠性和安全性。使用激光熔覆技术在基体表面制备高熵合金涂层的方法,能够使涂层与基体实现良好的冶金结合,以达到提升表面耐磨性能的目的。影响高熵合金涂层耐磨性的因素主要有涂层材料的力学性能,如硬度、塑性和韧性;熔覆过程中产生的缺陷,如表面粗糙不平、气孔和裂纹;摩擦工况,如高温环境和腐蚀环境。本文分析总结了激光熔覆高熵合金涂层的耐磨性影响因素及强化机制。首先,阐明了激光工艺参数(激光功率、激光扫描速度、光斑直径)和后处理工艺(热处理和轧制)对涂层质量及性能的影响;其次,概述了组元元素选择、高温环境和腐蚀环境对涂层耐磨性的影响;最后,对激光熔覆技术制备高熵合金涂层存在的问题进行归纳分析,并对未来的发展趋势进行了展望,如基于远平衡态的材料设计理论研发新材料、利用电场-磁场协同或激光-超声振动复合等新工艺提升涂层耐磨性等。     

激光熔覆制备高熵合金涂层耐磨性研究进展EI北大核心CSCD

机械零部件的摩擦磨损主要发生在材料表面,约有80%的零件工作失效是由表面磨损造成的。摩擦磨损增加了材料和能量的损耗,降低了可靠性和安全性。使用激光熔覆技术在基体表面制备高熵合金涂层的方法,能够使涂层与基体实现良好的冶金结合,以达到提升表面耐磨性能的目的。影响高熵合金涂层耐磨性的因素主要有涂层材料的力学性能,如硬度、塑性和韧性;熔覆过程中产生的缺陷,如表面粗糙不平、气孔和裂纹;摩擦工况,如高温环境和腐蚀环境。本文分析总结了激光熔覆高熵合金涂层的耐磨性影响因素及强化机制。首先,阐明了激光工艺参数(激光功率、激光扫描速度、光斑直径)和后处理工艺(热处理和轧制)对涂层质量及性能的影响;其次,概述了组元元素选择、高温环境和腐蚀环境对涂层耐磨性的影响;最后,对激光熔覆技术制备高熵合金涂层存在的问题进行归纳分析,并对未来的发展趋势进行了展望,如基于远平衡态的材料设计理论研发新材料、利用电场-磁场协同或激光-超声振动复合等新工艺提升涂层耐磨性等。