陶瓷基复合材料环境障涂层研究进展

作者:王岭;焦健;焦春荣 刊名:航空制造技术 上传者:薛然心

【摘要】在发动机工作环境下,高温、腐蚀介质、燃气冲刷以及复杂应力环境等多因素交互作用,SiC陶瓷基复合材料表面稳定性急剧恶化,成为制约其应用于航空发动机热端部件的主要因素之一。环境障涂层(Environmental Barrier Coatings,EBC)可以有效解决这一难题,成为SiC陶瓷基复合材料应用于高推重比航空发动机热端部件的关键技术。

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新一代高推重比航空发动机的发展,必然导致航空发动机中燃气温度的提高,相应造成高压涡轮热端部件表面温度的提高。高推重比航空发动机热端部件表面温度将达到1400以上[1],这远远超过了现有高温合金材料所能承受的温度范围。SiC陶瓷基复合材料具有耐高温(长期使用温度最高达到1650)、低密度、高强度、高模量、抗氧化、抗烧蚀、对裂纹不敏感等特点,成为可以取代高温合金的最有潜力的热结构材料。该材料可以使航空发动机大幅度减重,减少燃气和冷却空气量,提高推重比。在航空发动机上,SiC陶瓷基复合材料主要应用于热端部件,如尾喷管、燃烧室/加力燃烧室、涡轮等,该材料可以提高工作温度达到200~500,结构减重30%~50%,已成为航空发动机提高推重比的关键热结构材料之一。在发动机工作环境下,高温、腐蚀介质、燃气冲刷以及复杂应力环境等多因素交互作用,SiC陶瓷基复合材料表面稳定性急剧恶化,成为制约其应用于航空发动机热端部件的主要因素之一。环境障涂层(EnvironmentalBarrierCoatings,EBC)可以有效解决这一难题,成为SiC陶瓷基复合材料应用于高推重比航空发动机热端部件的关键技术。环境障涂层材料进展1环境障涂层材料的要求SiC陶瓷基复合材料在高温干燥环境下,表面生成一层致密、稳定王岭博士,高级工程师,主要从事陶瓷基复合材料的研制及应用研究,课题方向包括:高性能纤维表征以及表面改性、高温功能/结构一体化陶瓷基复合材料制备和应用、超高温陶瓷材料制备及应用等。2014年第6期航空制造技术51典型的等离子喷涂环境障涂层Si/莫来石+BSAS/BSAS涂层结构见图1[10]。燃气发动机外场考核证明带有EBC涂层(Si/mullite-BSAS/BSAS)的SiC/SiC燃烧室衬套使用寿命能够延长接近3倍[11]。BSAS作为面层材料也有不足,主要是BSAS的最高工作温度不能超过1300。相图分析,1311时BSA(BaAl2Si2O8)与质量分数为49%的SiO2生成低共熔化合物,同样BSAS也会与SiO2生成低共熔化合物,形成玻璃相。由此会导致EBC涂层的损耗和过早失效(>1300),这限制了其在更高温度下的使用。通过大量测试数据研究,NASAGlenn的研究团队认为Si/莫来石/BSAS涂层或者Si/莫来石+BSAS/BSAS涂层体系能够在1300正常工作1000h以上,而不能超过1400,因为在超过1400的含有水蒸汽环境中,BSAS会因为发生大量的挥发而损耗,这会导致整个涂层体系发生过早失效[12]。因此,要想延长EBC的使用寿命或提高其工作温度,有必要寻找一种比BSAS有更低损耗速率的材料。4第三代环境障涂层BSAS作为面层材料并没有完全发挥出SiC陶瓷基复合材料的潜能。为了寻求更高的使用温度,美国NASA正在研究新的面层材料来替代BSAS面层材料,这种材料表面能够承受1482(2700)的温度,并且在1400(2552)或更高温度的SiO2,可以保护材料不发生进一步氧化,具有良好的表面稳定性[2]。当环境中含有水蒸汽时,SiC将发生较大失重[3]。这归因于SiO2与水蒸汽发生反应生成易于挥发的Si(OH)4,如下式表示:SiO2(s)+2H2O(g)=Si(OH)4(g)。该反应对气流速率敏感,并随气流速率增加而反应加剧。因此SiC陶瓷基复合材料在发动机热端部件长期使用必须有环境障涂层保护,避免材料失效。环境障涂层是指在发动机工作环境下使用的高温结构材料表面的防护涂层(一般为氧化物或氧化物混合物陶瓷涂层),该涂层能够在高温结构材料和发动机恶劣环

参考文献

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