Si-B-C陶瓷自愈合改性CMC-SiC的機理與性能.pdf

1、提高渦輪前進口溫度、減輕結(jié)構(gòu)重量和增加服役壽命是發(fā)展先進航空發(fā)動機永恒的主題。要求其熱端部件材料在高溫應(yīng)力氧化環(huán)境下具有長時服役性能。碳化硅陶瓷基復(fù)合材料（CMC-SiC）是繼高溫合金后最有潛力用于航空發(fā)動機熱端部件的高溫結(jié)構(gòu)材料，但由于CMC-SiC材料的裂紋和孔隙，成為氧化介質(zhì)擴散的通道，導(dǎo)致其在航空發(fā)動機高溫氧化環(huán)境中的服役壽命降低。目前，國內(nèi)已發(fā)展了適用于1000℃以下的B-C陶瓷和硅硼玻璃兩種自愈合改性CMC-SiC復(fù)合材料，

2、而在1000℃以上其抗氧化性能明顯衰減。本文發(fā)展的Si-B-C陶瓷自愈合改性CMC-SiC的使用溫度可提高至1300℃，可在更寬溫度范圍具有長壽命服役能力。
　　本文首先研究了Si-B-C陶瓷在空氣和水氧環(huán)境下的本征氧化行為，分析其在不同環(huán)境與溫度下的氧化機理，并建立相應(yīng)氧化模型。據(jù)此以CVI/CVD法制備的Si-B-C陶瓷作為改性組元，對CMC-SiC進行基體和涂層進行改性。系統(tǒng)研究了Si-B-C陶瓷對基體改性C/(SiC-Si

3、BC)m的本征熱物理性能和室溫力學(xué)性能的影響規(guī)律，以及氧化環(huán)境對涂層和基體改性CMC-SiC的抗氧化性能和自愈合機理的影響規(guī)律。上述研究為自愈合改性CMC-SiC在航空發(fā)動機熱端構(gòu)件中的應(yīng)用奠定了理論與工藝基礎(chǔ)。主要研究內(nèi)容與結(jié)果如下：
　　1)研究了CVD Si-B-C陶瓷在空氣和水氧環(huán)境的本征氧化行為。結(jié)果表明：（1）Si-B-C陶瓷在兩種環(huán)境1000℃以下氧化失重呈線性增加，失重速率隨溫度升高而加快，且水加快Si-B-C的氧

4、化；在兩種環(huán)境1200℃以上，氧化失重曲線呈多段線性變化，且在水氧環(huán)境下初始階段的氧化失重速率小于空氣氧化環(huán)境下的速率；（2）Si-B-C陶瓷空氣氧化后形成的玻璃由B2O3、SiO2和Si-O(SiC)組成，隨溫度升高，B2O3含量先升高后快速降低，Si-O(SiC)鍵作為SiO2從α磷石英向α方石英轉(zhuǎn)變的中間鍵態(tài)，隨溫度升高先增加，1200℃開始減少；（3）Si-B-C在水氧環(huán)境氧化后，硼硅玻璃由Si(OH)4、H3BO3、SiO2、

5、B2O3和B2O組成。隨溫度升高H3BO3快速揮發(fā)，1000℃揮發(fā)殆盡；SiO2隨溫度升高而增加，與B2O3形成硼硅玻璃而降低B2O3揮發(fā)速率。但溫升至1400℃，硼硅玻璃快速分解，其中B2O3與水形成H3BO3快速揮發(fā)，并伴有少量B2O3揮發(fā)，故B2O3含量下降。
　　2)研究了Si-B-C陶瓷基體改性C/(SiC-SiBC)m的本征結(jié)構(gòu)、熱物理性能和室溫力學(xué)性能。結(jié)果表明：（1）C/(SiC-SiBC)m復(fù)合材料基體形成的多層

6、結(jié)構(gòu)影響其力學(xué)性能。C/(SiC-SiBC)m的壓縮強度、層間剪切強度和面內(nèi)剪切強度較C/SiC明顯下降；斷裂韌性和斷裂功較C/SiC有所提高；彎曲強度和拉伸強度與C/SiC相當；（2）C/(SiC-SiBC)m未改變C/SiC熱膨脹系數(shù)與溫度關(guān)系，均隨溫度升高而增加。但在相同溫度下，C/(SiC-SiBC)m比 C/SiC的熱膨脹系數(shù)低1×10-6 K-1；（3）C/(SiC-SiBC)m與C/SiC的熱擴散系數(shù)均隨溫度升高而降低，但

7、C/SiC-SiBC)m比C/SiC的低。
　　3)研究了C/(SiC-SiBC)m在高溫空氣環(huán)境的氧化、熱震和疲勞性能，以及水氧環(huán)境下的氧化行為。結(jié)果表明：（1）C/(SiC-SiBC)m的基體可形成多層結(jié)構(gòu)的防護體系，顯著提高其抗氧化性能。700℃~1400℃空氣氧化50h的重量變化率極??；1200℃以下強度保持率為98％以上，1300~1400℃強度保持率約為85%。700℃~1400℃14H2O/O2中50h氧化后，試樣重

8、量變化率極小；除700℃外，其余溫度殘余強度均低于空氣氧化結(jié)果。（2）C/(SiC-SiBC)m在兩種氧化環(huán)境下具有相同氧化損傷機理。1000℃以下材料損傷受 Si-B-C陶瓷的氧化速率控制；1200℃以上損傷受氧化介質(zhì)在硼硅玻璃中的擴散控制。（3）C/(SiC-SiBC)m的熱震性能顯著提高。在700℃、1000℃和1300℃至室溫熱震60次的最大失重僅為0.34%，度保持率在94%以上。（4）C/(SiC-SiBC)m的熱震損傷機制

9、有應(yīng)力損傷和氧化損傷兩種。700℃熱震強度和模量的衰減主要以氧化損傷為主；1000℃模量衰減主要為應(yīng)力損傷所致；1300℃熱震強度和模量衰減主要是應(yīng)力損傷，氧化損傷為次。（5）C/(SiC-SiBC)m在空氣環(huán)境的疲勞壽命顯著提高。其損傷以氧化損傷為主，疲勞應(yīng)力引起的損傷加速氧化損傷。1000℃以下氧化損傷受碳相氧化控制，1000℃以上試樣損傷受氧在硼硅玻璃中擴散控制。
　　4)研究了Si-B-C涂層改性SBS-C/SiC(SBS

10、表示SiC/SiBC/SiC涂層)的空氣氧化行為和疲勞性能，以及水氧環(huán)境的氧化行為。表明：（1）SBS-C/SiC與C/SiC相比，顯著提高1000℃以上空氣環(huán)境的抗氧化性能，SBS-C/SiC的強度保持率高于83.9%，失重率低于0.29 wt.%。（2）SBS-C/SiC在14H2O/O2環(huán)境下具有優(yōu)異的抗氧化性能。1200℃以下氧化50h的強度保持率在97%以上，1300℃~1400℃的強度保持率為87%左右。同時，環(huán)境中水分壓的

11、提高促使硼硅玻璃反應(yīng)生成易揮發(fā)H3BO3，導(dǎo)致SBS-C/SiC抗氧化性能有所降低，氧化后強度保持率比低水分壓的有所下降。（3）在空氣和水氧環(huán)境下，SBS-C/SiC具有相同氧化損傷機理，且與基體改性的試樣損傷機理相同。（4）SBS-C/SiC與C/SiC相比，顯著提高了空氣環(huán)境的高溫疲勞壽命，同時疲勞壽命優(yōu)于基體改性的C/(SiC-SiBC)m。其損傷機理與基體改性的試樣相同。
　　5)探索研究了SBS-SiC/SiC在空氣和水

12、氧環(huán)境的氧化行為。表明：（1）Si-B-C涂層可顯著提高SiC/SiC的抗氧化性能。700℃~1400℃空氣氧化50h，SBS-SiC/SiC的重量變化率極小，1300℃以下強度保持率為95%以上，1400℃為71.3%；700℃~1400℃水氧氧化50h，其重量變化率極小，1300℃以下強度保持率為89%以上，1400℃為66.9%,強度保持率整體低于空氣環(huán)境。（2）SBS-SiC/SiC在1000℃以下的氧化損傷受 Si-B-C涂層