带BSAS 体系EBC 的SiC/SiC 复合材料在1300℃水氧耦合气氛中的损伤行为

摘 要：为满足具有更高涡轮进口温度的新一代高性能航空发动机的长时稳定服役需求，带有环境屏障涂层（EBC）的连续SiC纤维增强增韧SiC陶瓷基（SiC/SiC）复合材料逐渐在其热端部件上得到应用。针对带有EBC的SiC/SiC复合材料在模拟燃气环境中的服役行为，本文开展了带钡锶铝硅酸盐（BSAS）体系EBC的SiC/SiC复合材料在1300℃水氧耦合环境下氧化腐蚀试验，研究其微观组织结构演变、内部缺陷特征、重量变化率及力学性能演变规律，揭示其损伤机制。EBC中的裂纹为湿氧气氛扩散提供通道，到达硅黏结层后促使其上表面出现氧化腐蚀孔洞，从而削减了EBC的屏障防护寿命。研究发现，带BSAS体系EBC的SiC/SiC复合材料在1300℃水氧耦合环境下的氧化腐蚀服从扩散控制，EBC提供了有效的屏障防护效果，保护SiC/SiC复合材料免遭严重的氧化腐蚀损伤。微观力学分析结果表明，一定时间的考核服役后，基材近表面处和中心处纤维的承载能力均有所提高，经300h氧化腐蚀考核后，EBC保护下SiC/SiC基材的力学性能表现为提高。

关键词：SiC/SiC 复合材料； 环境屏障涂层； 水氧耦合环境； 氧化腐蚀损伤； 力学性能

中图分类号：V257 文献标识码：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2024.12.009

连续SiC 纤维增强增韧SiC 陶瓷基（SiC/SiC）复合材料具有高比强度、高比模量、低密度、耐高温、抗疲劳等一系列优异的性能，逐渐在具有更高涡轮进口温度的新一代高性能航空发动机热端部件上得到应用[1-5]。然而，SiC/SiC 复合材料在服役过程中面临恶劣的服役环境（如高温、水蒸气、熔盐等）与复杂载荷，易发生氧化腐蚀损伤，导致服役性能下降[6-7]。为隔绝氧化腐蚀性介质对SiC/SiC 复合材料的侵蚀，研究者提出在其表面制备环境屏障涂层（EBC）[8-11]，为其提供屏障保护作用，延长其服役寿命。

美国国家航空航天局 （NASA）通过推进材料快速研究（HSR-EPM）计划发展了带钡锶铝硅酸盐（BSAS）体系EBC涂层[8]，将制备有BSAS体系EBC涂层的SiC/SiC 燃烧室内外衬安装在Centaur 50S 燃气涡轮机上进行考核，试验条件为1200℃、燃气压力为105Pa，累计运行了13937h[12]。对比不带涂层的SiC/SiC 燃烧室内外衬考核结果，BSAS 体系EBC 涂层将服役寿命提升了近三倍phXTH8DwPOvk6to6FIywr3lGZhC2G3CC7zZN4CxmdUI=。EBC 涂层逐渐成为SiC/SiC 复合材料在航空发动机热端部件应用中不可或缺的重要组成部分。国外研究者对EBC 涂层开展了大量研究。国内因SiC/SiC 复合材料起步较晚，2010 年后才逐渐开展EBC 的相关研究。西北工业大学超高温结构复合材料实验室团队[13]采用溶胶-凝胶法在C/SiC 复合材料表面制备BSAS涂层并进行性能表征，研究发现BSAS涂层具有较好的抗水氧及熔盐腐蚀的能力[14-15]，可对基材提供有效保护。焦春荣等[16-17]开展BSAS粉体制备研究，采用大气等离子喷涂法在C/SiC 表面制备BSAS体系涂层，研究发现热膨胀系数失配是导致其发生开裂失效的主要原因。CuiYongjing 等[18]在SiC/SiC 复合材料表面制备了BSAS 体系EBC涂层，研究了高温水蒸气对EBC涂层的侵蚀，考核前后涂层结合强度的变化。西安鑫垚陶瓷复合材料股份有限公司的陶瓷基复合材料制造技术国家工程研究中心联合西北工业大学、山东大学与中国航发商发，系统地开展了BSAS体系EBC 涂层的大气等离子喷涂法制备工艺研究、性能表征与考核评价，取得了较多进展[19-20]，为其最终应用奠定基础。目前国内学者已在SiC/SiC 复合材料制备的试验件甚至构件表面成功制备BSAS体系EBC涂层，并进行相关考核测试，但对于带BSAS 体系EBC涂层的SiC/SiC 复合材料的损伤机制研究较少。为了获得BSAS 体系EBC涂层的损伤行为及涂层保护下SiC/SiC 复合材料的性能演变，并进一步为EBC涂层性能改进及SiC/SiC 复合材料服役寿命提高提供数据支撑及理论指导，有必要对带BSAS体系EBC涂层的SiC/SiC 复合材料在燃气模拟环境下的损伤行为及性能衰退进行研究。