SiCf/SiC复合材料Y-Al-Si-O微晶玻璃涂层的制备与性能

作     者：路保福 

作者单位：长安大学 

学位级别：硕士

导师姓名：邓娟利

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：Y-Al-Si-O 微晶玻璃 环境屏障涂层 CMAS 耐腐蚀性能 

摘      要：具备比强度高、比模量高、抗氧化和密度低等特性的SiC/SiC复合材料逐渐成为制备航空燃气发动机热端构件的热点材料。在发动机实际服役的燃气环境中,SiC/SiC性能会急剧衰退。在SiC/SiC表面制备环境障碍涂层(Environmental barrier coating,EBC)是防止其在燃气环境下性能衰退的主要途径。目前,广泛应用的稀土硅酸盐EBC存在制备温度过高和缺陷过多等缺陷,需要发展新的EBC材料及制备工艺。此外,稀土硅酸盐EBC易遭受Calcium-magnesium aluminosilicate(CMAS)熔盐腐蚀而失效,必须改善稀土硅酸盐耐CMAS腐蚀性能。本研究制备了Y-Al-Si-O(YAS)玻璃,并以YAS为原料通过浆料法制备了EBC,对涂层进行了耐腐蚀测试,研究了YAS微晶玻璃的耐CMAS腐蚀性能。主要研究内容与结果如下:(1)采用熔融急冷法制备了5种YAS玻璃,均保持无定形态。随着YO含量的提高,玻璃中Si-O-Si/Al键的稳定性减弱。随着Al/Si的减小,玻璃的网络结构趋向解聚。这些结构的变化使玻璃在加热时易产生形核析晶。玻璃的熔融温度在1380～1400℃,在热处理过程中会析出YSiO和3AlO·2SiO晶体。(2)采用浆料涂刷法制备了YAS微晶玻璃涂层,涂层与SiC/SiC结合紧密。其中5#YAS微晶玻璃涂层与SiC/SiC紧密结合,涂层中气孔为闭气孔,不影响涂层防护作用;涂层渗入SiC/SiC并愈合了复合材料的缺陷,有基体改性之效。YAS微晶玻璃涂层在高温空气和水氧环境下均保持结构完整且与SiC/SiC结合良好。在高温空气环境下,涂层晶化程度增大;在高温水氧环境下,涂层表面产生晶粒带,内部晶粒交错堆叠,有助于提高微晶玻璃涂层的耐温性能。(3)通过烧结法制备了CMAS,其熔融温度为～1225℃,研究了YAS和CMAS的反应规律。在YAS和CMAS粉末本征反应条件下,反应产物包括CaY(SiO)(CYCS)和Ca AlSiO(Anorthite),其中Al含量较高的1,2和3#YAS-CMAS混合粉的反应产物中Anorthite的特征峰比4和5#YAS-CMAS混合粉的强。在界面腐蚀情况下,5组YAS被CMAS腐蚀的深度及反应行为分为两类,且符合光学碱度(OB,Λ)理论计算。高OB YAS(1,2和3#YAS)被CMAS腐蚀的深度较低,且随着Δ变小,腐蚀深度减小;YAS腐蚀后原位生成Anorthite层。低OB YAS(4和5#YAS)被CMAS腐蚀的深度较大,在～1270℃首先生成CYCS层,CYCS层对后续腐蚀反应有一定的屏障作用;在温度升高后,CYCS层在YAS一侧转变生成无定形相;随着Δ减小,CYCS层的晶粒尺寸减小,连续性减弱,腐蚀深度加大。(4)通过光学碱度计算结合实验,成功预测了不同组分的YAS的耐CMAS腐蚀性能。当光学碱度高于Λ,尤其是Δ小的YAS具有优异的耐CMAS腐蚀性能。