SiC/SiC陶瓷基复合材料环境障涂层热冲击失效机理分析

环境障涂层（EBCs）是确保陶瓷基复合材料在航空发动机使用环境下可靠性与耐久性的关键因素。以聚合物浸渍热解（PIP）和化学气相渗透（CVI）工艺制备的SiC/SiC陶瓷基复合材料为基体,采用大气等离子喷涂（APS）在SiC/SiC复合材料表面制备EBCs,并分别在1200、1300℃进行热冲击试验。结果表明：PIP-SiC/SiC基体表面的EBCs在1200℃经历1425次热冲击出现了涂层剥落现象,而CVISiC/SiC基体表面的EBCs在1300℃经历2000次热冲击循环后,涂层表面依然完整,未见失效和剥落现象,这主要是由于基体的热导率差异造成的。     

Si/莫来石/Er_2SiO_5环境障涂层的高温氧化行为

采用化学气相沉积与等离子喷涂相结合的方法在SiC/SiC复合材料基体上制备了Si/莫来石/Er2Si O5环境障涂层。采用扫描电镜(SEM)、能谱分析仪(EDS)与X射线衍射仪(XRD)分析其结构变化,通过氧化试验研究涂层在1350℃与1500℃下的高温氧化行为。结果表明:Si/莫来石/Er2Si O5环境障涂层可在1350℃长时间使用,在1500℃短时间使用。涂层在不同高温下的氧化失效机理不同。1350℃时,涂层氧化失效主要是由于涂层材料与基体材料热膨胀不匹配使涂层中产生了垂直于表面的裂纹,裂纹成为元素扩散通道,加速环境中O元素扩散至粘结层与基体并将其氧化,降低了涂层与基体之间的粘结强度,从而导致涂层脱落。1500℃时,涂层氧化失效主要是元素快速扩散、反应生成大量的气泡状玻璃态物质所致。     

服役环境对涡轮导向叶片热障涂层失效模式的影响

目的 基于服役环境下热障涂层失效行为的复杂性,分析服役环境对涡轮导向叶片热障涂层的影响,并总结涡轮导向叶片热障涂层的失效模式。方法 针对服役环境下某型民用航空发动机涡轮导向叶片,使用UG软件建模,并且采用FLUENT软件对其进行三维共轭传热计算,结合热障涂层宏微观形貌、钙镁铝硅酸盐（CMAS）侵蚀行为、热生长氧化物（TGO）的生长情况,以及孔隙率和硬度的变化,通过引入涂层损伤系数,建立一种新的热障涂层区域失效评估模式,综合分析服役环境对涡轮导向叶片热障涂层区域化失效模式的影响。结果 在经历了8500h服役后,涡轮导向叶片表面热障涂层的失效模式因服役环境的局部差异而不同。叶片前缘区域最高温度达到1 501.69 K,发生了严重的低熔点氧化物侵蚀,导致陶瓷层的孔隙率降至11.909%,TGO等效厚度生长至1.870μm。后缘区域的最低温度为980.46 K,未见CMAS侵蚀,陶瓷层的孔隙率降至13.701%,TGO等效厚度生长至2.676μm。叶盆、叶背表面平均温度分别为1363.47K和1 264.14 K,发生了轻度低熔点氧化物侵蚀,陶瓷层的孔隙率分别降至12.176%和13.371%...     

以抗CMAS腐蚀为目标的稀土硅酸盐环境障涂层高熵化设计与性能提升

环境障涂层是大推力和高推重比航空发动机的关键材料，能够为碳化硅纤维增强碳化硅(SiCf/SiC)陶瓷基复合材料热端部件提供有效防护，阻挡燃气及环境腐蚀介质的侵蚀。稀土硅酸盐具有与SiC基复合材料匹配的热膨胀系数以及良好的化学相容性，是目前国际公认的优选环境障涂层体系。然而，目前已知稀土硅酸盐材料耐典型低熔点氧化物CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂ (CMAS)腐蚀性能不足，难以满足新一代航空发动机1300℃及以上温度的工程应用需求。本文总结了近年来稀土硅酸盐耐CMAS腐蚀相关研究进展，重点介绍了本团队关于单一稀土主元单/双硅酸盐CMAS腐蚀机理的研究成果，以此为基础提出高熵化设计思路，旨在充分利用不同稀土元素在与CMAS反应过程中呈现的特性差异，通过合理设计多稀土主元搭配实现稀土硅酸盐材料耐CMAS腐蚀性能提升。最后对高熵稀土硅酸盐环境障涂层的发展方向进行了展望。     

等离子体喷涂环境障涂层高温失效研究进展

环境障涂层因具有良好的抗高温水氧腐蚀能力而备受关注,但是由于外部砂粒等对涂层表面的侵蚀作用,仅能满足抗水氧腐蚀,还不能达到未来航空器高温部端的要求,CMAS 腐蚀是对环境障涂层的另一个挑战。 环境障涂层多采用等离子体喷涂工艺制备。 由于涂层在经历高低温冲击时,会不可避免地发生失效。 针对这一事实,文中对涂层失效种类和失效方式进行了总结和归纳,同时还介绍了环境障涂层的产生和发展历程。 从微观、介观到宏观的维度介绍了环境障涂层的选材;通过分析国内外在环境障涂层方面的研究结果,结合计算模拟对 CMAS 引起的失效、高温水蒸气引起的失效以及热冲击引起的失效,进行了详细的阐述并总结了相应的失效机理;最后指出了环境障涂层面向应用仍然需要解决的问题以及未来的研究趋势。     

单向复合材料C/SiC纳米刻划实验研究

为了进一步研究纤维增韧陶瓷基复合材料的磨削机理,设计制备了单向C/SiC模型复合材料,然后将复合材料在3个典型方向进行刻划。通过刻划实验研究分析了单颗金刚石磨粒作用下复合材料的界面失效机制及微观材料去除机理。结果表明:在单颗金刚石磨粒刻划作用下,脆性断裂是C/SiC复合材料的主要去除方式,复合材料的破坏形式主要是基体开裂、界面失效、纤维断裂的综合模式。其材料去除难易程度符合规律:法向纵向横向。此外,研究结果为C/SiC刻划材料去除机理研究提供了实验提导,并为陶瓷基复合材料磨削机理的揭示提供了实验基础。     

W-SiC-C/C复合材料制备及等离子烧蚀性能

目的提高C/C复合材料在超高温下的抗烧蚀性能。方法采用化学气相沉积法,在C/C复合材料表面制备SiC过渡层,然后以惰性气体保护等离子喷涂工艺在带有SiC过渡层的C/C材料表面制备W涂层,研究所制备的W-SiC-C/C复合材料的微观形貌与结构特征。以200 kW超大功率等离子焰流,考核W-SiC-C/C材料的抗烧蚀性能,并与无涂层防护的C/C材料进行对比分析。结果W涂层主要为层状的柱状晶结构。W涂层与SiC过渡层、过渡层与基体界面呈镶嵌结构,结合良好。SiC过渡层阻止了W、C元素相互迁移与反应。在驻点压力为4.5 MPa、温度约5000 K、热流密度为36 MW/m²的烧蚀条件下,当烧蚀时间小于10 s时,涂层对C/C材料起到了较好的保护作用,W涂层发生氧化烧蚀,基体未发现烧蚀,平均线烧蚀率为0.0523 mm/s;当烧蚀时间超过15 s后,涂层防护作用基本失效,基体C/C材料发生烧蚀现象。结论以W涂层、SiC过渡层为防护的C/C复合材料,能够适用于短时间超高温的烧蚀环境,如固体火箭发动机等。W涂层的熔融吸热、氧化耗氧以及SiC过渡层的氧化熔融缓解涂层热应力和氧扩散阻碍的联合作用,提高了C/C材料的抗烧蚀性能。     

稀土硅酸盐环境障涂层综述∗

硅基非氧化物陶瓷材料因其质量轻、强度高、韧性大等优点和其上的环境障涂层,广泛用于民用或军用飞机发动机的热端部件,但目前所用的传统环境障涂层保护效果并不理想。 因此对新发展的稀土硅酸盐环境障涂层进行深入研究,以使其能广泛用于高推重比发动机上具有重要意义。 稀土硅酸盐环境障涂层相较于传统环境障涂层,具有更好的隔热性、与基体更匹配的热膨胀系数(二硅酸镱)及优异的抗腐蚀性能,如稀土硅酸镱盐具有良好的抗水氧和抗熔盐腐蚀性能,这些性能能够有效提高硅基陶瓷及涂层在发动机恶劣环境下的使用寿命,目前已成为飞机的首选防护涂层材料,从而成为环境障涂层材料领域研究的热点。 从稀土硅酸盐环境涂层的主要应用研究背景、发展历程、制备方法、涂层性能、失效机理等方面系统阐述其各种特点,提出目前稀土硅酸盐环境障涂层易失效的多种原因,以及工艺制备和性能模拟测试方面的不足之处,为未来的涂层改进和研究发展指明了方向。     

环境障涂层研究进展

硅基非氧化物陶瓷SiC、Si3N4是最有可能取代镍基高温合金作为在更高温度下发动机热端部件中使用的高温结构材料,制约其应用的重要因素是其在发动机工作环境中的表面稳定性不足,硅基非氧化物陶瓷能够和水蒸汽等反应生成挥发性的产物造成陶瓷表面结构退化、尺寸减小.解决这一问题的方法是在硅基非氧化物陶瓷表面涂敷或沉积环境障涂层,通过涂层阻止腐蚀性气氛和陶瓷基体的接触,提高陶瓷基体的表面稳定性.本文回顾了环境障涂层的发展历史,并重点对多种先后发展起来的环境障涂层体系的性能进行了介绍和评价.     

采用TiH_2预处理的SiC陶瓷柱阵列增强/高铬铸铁复合材料界面与耐磨性能（英文）

利用TiH2粉末膏剂涂覆和在真空下1000或1400℃保温20 min的预处理工艺对反应烧结SiC陶瓷柱进行了表面预处理,再将预处理好的SiC陶瓷柱固定在石墨板上,随后采用金属浇铸工艺制备了一种具有高度陶瓷增强体宏观均匀性、可靠性和可设计性的SiC陶瓷柱阵列增强高铬铸铁复合材料。陶瓷涂层和复合材料界面分析表明:1400℃为较优的SiC表面预处理温度,预处理后SiC表面形成一层可靠的金属性复合层。该复合层在高温浇注过程中不会被溶解,可有效抑制高铬铸铁与SiC陶瓷的界面反应,从而形成无脱层、优良的复合材料陶瓷/金属磨损界面。与该复合材料的金属基体相比,由于SiC陶瓷柱的有效添加,经表面处理后不同陶瓷含量的SiC/高铬铸铁复合材料的耐磨性能均显著提高。     

Phase Composition and Microstructural Responses of Graded Mullite/YSZ Coatings Under Water Vapor Environments

Mullite-based systems have been considered as environmental barrier coatings (EBCs) for high temperature protection of Si-based ceramic (Si₃N₄, SiC) substrates against water vapor corrosion, for application in forthcoming turbine engines. Graded mullite/Y-ZrO₂ composites plasma sprayed over Hexoloy SiC substrates were analyzed as EBCs. All feedstock materials were purposely prepared and singular spraying conditions were used to assure superior crystallization. The different coated specimens were subjected to temperatures of 1300???C for 100-500?h under water vapor environment. The effect of water corrosion on the exposed coatings was investigated by focusing on their phase and microstructure changes.     

Cf/SiC复合材料的氧化及抗氧化技术研究进展

连续碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料（C_f/SiC）因其具有高比强、高比模、耐磨损、良好热稳定性以及耐高温等突出性能,成为航空、航天、高性能武器装备等高尖端领域极具潜力的热结构材料。但高温氧化是其工程应用上的弱点,会造成C_f/SiC复合材料性能的下降,直接影响到材料的使用寿命和安全性。分析C_f/SiC复合材料的氧化影响因素,从界面相、基体和表面涂层3个方面综述C_f/SiC复合材料高温抗氧化技术的研究进展,结果表明:不同的温度区间内C_f/SiC复合材料的氧化行为不同,而界面改性、涂层抗氧化和基体改性相结合是实现材料抗氧化的关键。     

3D C/SiC复合材料在复杂环境试验中性能演变的两重性

用减压化学气相浸渗法(LPCVI)制备2组3D C/SiC复合材料,其中一组具有不同厚度的PyC界面层,另一组PyC界面层厚度一定,但经过热处理.对C/SiC复合材料在复杂环境中性能演变的两重性,即确定性和随机性进行了研究.结果表明,残余强度及其波动性对评价材料的环境适应性和可靠性是必需的.界面层和涂层是对氧化环境最敏感的微结构控制单元.以敏感度排序,3种环境参数依次是温度、气氛和应力.气氛参数的排序是氧气、水和盐,应力参数的排序是疲劳/蠕变,蠕变和疲劳.应力通过增加涂层裂纹及宽度从而加速复合材料的性能演变.氧化物薄膜有利于涂层裂纹封填,水能促进这种封填,然而疲劳/蠕变应力会使涂层裂纹封填失效.因此包括有氧气、水、疲劳和蠕变的环境是所有环境中最恶劣的.为了使复合材料具有自适应性,PyC的厚度应为最优,以提高热处理的效果;需保持适中的涂层氧化速率,以提高近表面抗氧化性.而适中的氧化速率是由温度和氧化气体分压来控制的.     

Anti-oxidation behavior of chemical vapor reaction SiC coatings on different carbon materials at high temperatures

To protect carbon materials from oxidation, SiC coatings were prepared on carbon/carbon(C/C) composites and graphite by chemical vapor reaction. SEM and XRD analyses show that the coatings obtained are composed of SiC grains and micro-crystals. The influence of different carbon substrates on oxidation behavior of coated samples was investigated, and then their oxidation mechanisms were studied. Oxidation test shows that the SiC coated graphite has a better oxidation resistance than SiC coated C/C composites at high temperatures (1 623 K and 1 823 K). In the oxidation process, the oxidation curves of SiC coated C/C composites are linear, while those of SiC coated graphite follow a quasi-parabolic manner. The oxidation mechanism of the former is controlled by chemical reaction while the latter is controlled by oxygen diffusion based on the experimental results. The variation of oxidation behavior and mechanism of SiC coatings on two kinds of carbon substrates are primarily contributed to their structure differences.     

TaSi2改性ZrB2/SiC复合粉末制备及涂层抗氧化性能研究

目的 提高ZrB2/SiC涂层的致密性及抗氧化烧蚀能力。方法 设计向ZrB2/SiC涂层中掺杂TaSi2,以提升ZrB2/SiC涂层的致密度和抗氧化性能。首先通过喷雾造粒法制备了4种不同成分配比的复合团聚粉,然后采用大气等离子喷涂(APS)在C/C基体表面制备了4种团聚粉复合涂层,最后使用氧-乙炔火焰法对所制备的涂层进行了烧蚀考核。结果 通过涂层致密度对比发现,随着TaSi2的增加,涂层共晶区会有所增加,涂层致密度得到了明显改善。通过烧蚀考核发现,TaSi2的加入能够增加SiO2的含量,并产生热稳定性好的TaZr2.75O8。此外致密TaZr2.75O8的产生还能够有效改善涂层的抗氧化烧蚀性能。结论 最终得出的ZrB2/SiC涂层硅化物掺杂改性方案为30%TaSi2/42%ZrB2/28%SiC(体积分数)大气等离子喷涂制备的抗氧化烧蚀涂层,其在1 600 ℃烧蚀5 min后的质量损失率为‒1.70×10^‒4 g/s。     

SiCf/SiC复合材料表面Si/Yb2Si2O7双层涂层结合强度分析

目的 通过选择合适的复合材料拉伸方向和涂层制备工艺,在SiCf/SiC复材上获得高结合强度的Si/Yb2Si2O7双层涂层.方法 采用真空等离子喷涂技术在2.5D编织的SiCf/SiC复合材料表面制备Si涂层、Si/Yb2Si2O7双层涂层.采用金相、XRD、SEM和EDS对试样进行表征,采用拉伸试验测试涂层的结合强度...     

Mullite-gadolinium silicate environmental barrier coatings for melt infiltrated SiC/SiC composites

Slurry based mullite/gadolinium silicate (Gd₂SiO₅) environmental barrier coatings (EBCs) were developed for melt infiltrated (MI) SiC/SiC composites. The coating chemically adhered well on the substrates. Thermal cycling of uncoated MI-SiC/SiC composites conducted between 1350 °C and 90 °C (one hour hot and 15 min cold) in a 96.5% H₂O-3.5% O₂ environment caused severe oxidation damage after 100 cycles resulting in the formation of dense silica layer of about 25 μm maximum thickness. Mullite/Gd₂SiO₅ EBCs provided excellent protection to MI-SiC/SiC against moisture damage with significantly less oxidation of the substrate; only about a 2 μm thick oxide layer formed even after 400 similar thermal cycles. The hair-line cracks formed at the coating/substrate interface after 400 cycles causing partial coating de-lamination.     

Degradation of strength properties and its fracture behaviour of TiB2-TiC-based composite ceramic cutting tool materials at the high temperature

Strength retention is important for tool materials at high temperature because cutting temperature in machining is ranged from room temperature to 1000 °C. A study examining the strength properties and fracture behaviour of TiB₂-TiC-based composite ceramic cutting tool materials is presented at different temperatures. MoSi₂ and SiC additives are considered to investigate their effects on the density, microstructure, strength and failure mechanism of composites. It is found that the addition of SiC contributed more to the high-temperature strength of composites than MoSi₂, but it did not improve the room-temperature strength, despite grain refinement. The TBAVS8 composite has a flexural strength of 800 MPa at room temperature and can retain 75% at 900 °C. At room temperature, the fracture behaviour of composites was dominated by the strong bonding of the Ni binder phase. At high temperatures, the softer Ni binder phase was pinned, and its sliding was inhibited by SiC particles, which decelerated the strength degradation.