帶BSAS 體系EBC 的SiC/SiC 復(fù)合材料在1300℃水氧耦合氣氛中的損傷行為

摘 要：為滿足具有更高渦輪進口溫度的新一代高性能航空發(fā)動機的長時穩(wěn)定服役需求，帶有環(huán)境屏障涂層（EBC）的連續(xù)SiC纖維增強增韌SiC陶瓷基（SiC/SiC）復(fù)合材料逐漸在其熱端部件上得到應(yīng)用。針對帶有EBC的SiC/SiC復(fù)合材料在模擬燃氣環(huán)境中的服役行為，本文開展了帶鋇鍶鋁硅酸鹽（BSAS）體系EBC的SiC/SiC復(fù)合材料在1300℃水氧耦合環(huán)境下氧化腐蝕試驗，研究其微觀組織結(jié)構(gòu)演變、內(nèi)部缺陷特征、重量變化率及力學性能演變規(guī)律，揭示其損傷機制。EBC中的裂紋為濕氧氣氛擴散提供通道，到達硅黏結(jié)層后促使其上表面出現(xiàn)氧化腐蝕孔洞，從而削減了EBC的屏障防護壽命。研究發(fā)現(xiàn)，帶BSAS體系EBC的SiC/SiC復(fù)合材料在1300℃水氧耦合環(huán)境下的氧化腐蝕服從擴散控制，EBC提供了有效的屏障防護效果，保護SiC/SiC復(fù)合材料免遭嚴重的氧化腐蝕損傷。微觀力學分析結(jié)果表明，一定時間的考核服役后，基材近表面處和中心處纖維的承載能力均有所提高，經(jīng)300h氧化腐蝕考核后，EBC保護下SiC/SiC基材的力學性能表現(xiàn)為提高。

關(guān)鍵詞：SiC/SiC 復(fù)合材料； 環(huán)境屏障涂層； 水氧耦合環(huán)境； 氧化腐蝕損傷； 力學性能

中圖分類號：V257 文獻標識碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2024.12.009

連續(xù)SiC 纖維增強增韌SiC 陶瓷基（SiC/SiC）復(fù)合材料具有高比強度、高比模量、低密度、耐高溫、抗疲勞等一系列優(yōu)異的性能，逐漸在具有更高渦輪進口溫度的新一代高性能航空發(fā)動機熱端部件上得到應(yīng)用[1-5]。然而，SiC/SiC 復(fù)合材料在服役過程中面臨惡劣的服役環(huán)境（如高溫、水蒸氣、熔鹽等）與復(fù)雜載荷，易發(fā)生氧化腐蝕損傷，導致服役性能下降[6-7]。為隔絕氧化腐蝕性介質(zhì)對SiC/SiC 復(fù)合材料的侵蝕，研究者提出在其表面制備環(huán)境屏障涂層（EBC）[8-11]，為其提供屏障保護作用，延長其服役壽命。

美國國家航空航天局 （NASA）通過推進材料快速研究（HSR-EPM）計劃發(fā)展了帶鋇鍶鋁硅酸鹽（BSAS）體系EBC涂層[8]，將制備有BSAS體系EBC涂層的SiC/SiC 燃燒室內(nèi)外襯安裝在Centaur 50S 燃氣渦輪機上進行考核，試驗條件為1200℃、燃氣壓力為105Pa，累計運行了13937h[12]。對比不帶涂層的SiC/SiC 燃燒室內(nèi)外襯考核結(jié)果，BSAS 體系EBC 涂層將服役壽命提升了近三倍phXTH8DwPOvk6to6FIywr3lGZhC2G3CC7zZN4CxmdUI=。EBC 涂層逐漸成為SiC/SiC 復(fù)合材料在航空發(fā)動機熱端部件應(yīng)用中不可或缺的重要組成部分。國外研究者對EBC 涂層開展了大量研究。國內(nèi)因SiC/SiC 復(fù)合材料起步較晚，2010 年后才逐漸開展EBC 的相關(guān)研究。西北工業(yè)大學超高溫結(jié)構(gòu)復(fù)合材料實驗室團隊[13]采用溶膠-凝膠法在C/SiC 復(fù)合材料表面制備BSAS涂層并進行性能表征，研究發(fā)現(xiàn)BSAS涂層具有較好的抗水氧及熔鹽腐蝕的能力[14-15]，可對基材提供有效保護。焦春榮等[16-17]開展BSAS粉體制備研究，采用大氣等離子噴涂法在C/SiC 表面制備BSAS體系涂層，研究發(fā)現(xiàn)熱膨脹系數(shù)失配是導致其發(fā)生開裂失效的主要原因。CuiYongjing 等[18]在SiC/SiC 復(fù)合材料表面制備了BSAS 體系EBC涂層，研究了高溫水蒸氣對EBC涂層的侵蝕，考核前后涂層結(jié)合強度的變化。西安鑫垚陶瓷復(fù)合材料股份有限公司的陶瓷基復(fù)合材料制造技術(shù)國家工程研究中心聯(lián)合西北工業(yè)大學、山東大學與中國航發(fā)商發(fā)，系統(tǒng)地開展了BSAS體系EBC 涂層的大氣等離子噴涂法制備工藝研究、性能表征與考核評價，取得了較多進展[19-20]，為其最終應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。目前國內(nèi)學者已在SiC/SiC 復(fù)合材料制備的試驗件甚至構(gòu)件表面成功制備BSAS體系EBC涂層，并進行相關(guān)考核測試，但對于帶BSAS 體系EBC涂層的SiC/SiC 復(fù)合材料的損傷機制研究較少。為了獲得BSAS 體系EBC涂層的損傷行為及涂層保護下SiC/SiC 復(fù)合材料的性能演變，并進一步為EBC涂層性能改進及SiC/SiC 復(fù)合材料服役壽命提高提供數(shù)據(jù)支撐及理論指導，有必要對帶BSAS體系EBC涂層的SiC/SiC 復(fù)合材料在燃氣模擬環(huán)境下的損傷行為及性能衰退進行研究。