帶BSAS 體系EBC 的SiC/SiC 復合材料在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動機的長時穩定服役需求，帶有環境屏障涂層（EBC）的連續SiC纖維增強增韌SiC陶瓷基（SiC/SiC）復合材料逐漸在其熱端部件上得到應用。針對帶有EBC的SiC/SiC復合材料在模擬燃氣環境中的服役行為，本文開展了帶鋇鍶鋁硅酸鹽（BSAS）體系EBC的SiC/SiC復合材料在1300℃水氧耦合環境下氧化腐蝕試驗，研究其微觀組織結構演變、內部缺陷特征、重量變化率及力學性能演變規律，揭示其損傷機制。EBC中的裂紋為濕氧氣氛擴散提供通道，到達硅黏結層后促使其上表面出現氧化腐蝕孔洞，從而削減了EBC的屏障防護壽命。研究發現，帶BSAS體系EBC的SiC/SiC復合材料在1300℃水氧耦合環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復合材料免遭嚴重的氧化腐蝕損傷。微觀力學分析結果表明，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300h氧化腐蝕考核后，EBC保護下SiC/SiC基材的力學性能表現為提高。

關鍵詞：SiC/SiC 復合材料； 環境屏障涂層； 水氧耦合環境； 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SiC 纖維增強增韌SiC 陶瓷基（SiC/SiC）復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動機熱端部件上得到應用[1-5]。然而，SiC/SiC 復合材料在服役過程中面臨惡劣的服役環境（如高溫、水蒸氣、熔鹽等）與復雜載荷，易發生氧化腐蝕損傷，導致服役性能下降[6-7]。為隔絕氧化腐蝕性介質對SiC/SiC 復合材料的侵蝕，研究者提出在其表面制備環境屏障涂層（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 燃燒室內外襯考核結果，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 復合材料在航空發動機熱端部件應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。國內因SiC/SiC 復合材料起步較晚，2010 年后才逐漸開展EBC 的相關研究。西北工業大學超高溫結構復合材料實驗室團隊[13]采用溶膠-凝膠法在C/SiC 復合材料表面制備BSAS涂層并進行性能表征，研究發現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，研究發現熱膨脹系數失配是導致其發生開裂失效的主要原因。CuiYongjing 等[18]在SiC/SiC 復合材料表面制備了BSAS 體系EBC涂層，研究了高溫水蒸氣對EBC涂層的侵蝕，考核前后涂層結合強度的變化。西安鑫垚陶瓷復合材料股份有限公司的陶瓷基復合材料制造技術國家工程研究中心聯合西北工業大學、山東大學與中國航發商發，系統地開展了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]，為其最終應用奠定基礎。目前國內學者已在SiC/SiC 復合材料制備的試驗件甚至構件表面成功制備BSAS體系EBC涂層，并進行相關考核測試，但對于帶BSAS 體系EBC涂層的SiC/SiC 復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 復合材料的性能演變，并進一步為EBC涂層性能改進及SiC/SiC 復合材料服役壽命提高提供數據支撐及理論指導，有必要對帶BSAS體系EBC涂層的SiC/SiC 復合材料在燃氣模擬環境下的損傷行為及性能衰退進行研究。