【摘 要】
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碳化硅纤维增强碳化硅(SiCf/SiC)复合材料具有轻质高强以及高温性能优良等特点,是新一代航空发动机热端构件的理想材料,但需要环境障涂层来阻隔富含水汽的燃气环境才能满足应用的需求。针对该背景,本文主要在SiCf/SiC复合材料基底上制备了双层的焦硅酸镱/硅(Yb2Si2O7/Si)环境障涂层并着重对其抗高温水氧性能进行了研究。采用经济可靠的大气等离子喷涂(APS)的方法对双层焦硅酸镱/硅的环境障
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碳化硅纤维增强碳化硅(SiCf/SiC)复合材料具有轻质高强以及高温性能优良等特点,是新一代航空发动机热端构件的理想材料,但需要环境障涂层来阻隔富含水汽的燃气环境才能满足应用的需求。针对该背景,本文主要在SiCf/SiC复合材料基底上制备了双层的焦硅酸镱/硅(Yb2Si2O7/Si)环境障涂层并着重对其抗高温水氧性能进行了研究。采用经济可靠的大气等离子喷涂(APS)的方法对双层焦硅酸镱/硅的环境障涂层进行制备,使用含15%单硅酸镱的焦硅酸镱原料粉末,制备出实际为Yb2Si2O7·Yb2Si O5(Yb DS·Yb MS)的复相环境障涂层。研究了喷涂功率、喷距等参数对涂层制备的影响,以及高温退火对涂层性能的影响。结果表明,功率过大会造成硅元素的挥发导致相组成的变化,功率过小则会导致未熔颗粒的增加;喷距过大会导致涂层孔隙率的急剧上升;喷涂态的涂层呈现较为疏松的非晶态,经过1300℃退火后的涂层则为致密的晶态,并能耐受1500℃的高温。经过参数的调整,本文得出较优的喷涂工艺参数为:喷距120 mm、功率19.3 k W。此参数下,涂层具有较低的孔隙率(8.1%)、较少的表观缺陷以及良好的喷涂效率,涂层拉伸剪切强度为6.7 N/mm~2。经过1300℃退火涂层转变为晶态,能够保持与初始粉末基本相同相组成。在环境障涂层制备工艺优化的基础上,对具有涂层的复合材料进行抗热震与抗高温水氧腐蚀性能测试。抗热震实验采取高温水淬的方法,失效形式主要表现为复合材料基底的破坏,表明该环境障涂层与SiCf/SiC复合材料基体结合紧密,具有良好的抗热震性能。高温水氧腐蚀环境采用标准大气压,1:1的水氧比,20m L/min的气体流速,1300℃的高温。在此条件下,本文研究了样品200 h内水氧腐蚀的性能演变规律。结果表明,焦硅酸镱面层在该高温水氧环境下具有优异的稳定性,水氧腐蚀200 h保持相成分不变;硅层与焦硅酸镱面层的界面处会形成一层热生长氧化物(TGO),水汽从涂层边缘的侵入会使TGO逐渐反应挥发形成氧化通道并最终导致涂层的脱落失效。为真实反映环境障涂层对SiCf/SiC复合材料的保护效果,制备了完全包覆SiCf/SiC基体的Si/Yb2Si2O7环境障涂层。首先采用X射线计算机断层扫描技术(X-CT)对无涂层的SiCf/SiC复合材料进行了三维结构表征。结果表明,完全裸露的SiCf/SiC复合材料在1300℃水氧环境下存在一个加速氧化的过程,生成大量具有流动性的Si O2,呈现线性的氧化增重;在环境障涂层的包覆保护下,SiCf/SiC基体在1300℃水氧环境下的氧化行为与干燥空气环境下的氧化行为相似,硅粘结层与EBC面层的界面处生成了致密的热生长氧化物(Si O2),200 h后平均厚度为3.89μm,而基体中仅有少量氧化空隙生成。制备的全包覆环境障涂层在200 h高温水氧腐蚀后仍保持完整,减缓了SiCf/SiC复合材料的氧化增重,起到了良好的保护作用。
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