【摘 要】
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目前碳化硅陶瓷基复合材料(SiCf/SiC)使用的最先进的环境障涂层体系(environmental barrier coatings,EBCs)仍然依赖Si粘结层。尽管该粘结层可以提高涂层的耐久性和附着力,但该涂层体系的最高使用温度受到Si熔点(1414°C)的限制。涡轮发动机的服役温度已经超过了这一温度,而且Si粘结层本身也存在着较多缺陷。为了减少或消除先进部件的冷却,提高发动机的效率,EBC
【基金项目】
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国家自然科学基金; 湖南省芙蓉学者计划;
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目前碳化硅陶瓷基复合材料(SiCf/SiC)使用的最先进的环境障涂层体系(environmental barrier coatings,EBCs)仍然依赖Si粘结层。尽管该粘结层可以提高涂层的耐久性和附着力,但该涂层体系的最高使用温度受到Si熔点(1414°C)的限制。涡轮发动机的服役温度已经超过了这一温度,而且Si粘结层本身也存在着较多缺陷。为了减少或消除先进部件的冷却,提高发动机的效率,EBCs需要新的粘结层材料。本研究中,首先根据已有的研究设计了Si-Yb-Gd和Si-Yb-Gd-Hf两种成分的复合粘结层,然后使用放电等离子烧结技术(SPS)制备了块体材料,并研究了其抗高温氧化性能和力学性能,最后使用大气等离子喷涂技术(APS)对多组分复合粘结层-Yb2Si2O7涂层体系的制备进行了探索。通过对实验结果的表征和分析,系统的对多组分复合粘结层进行了初步的研究,为今后多组分复合粘结层及EBCs的研究提供了一定的参考意义。主要研究内容如下:(1)使用SPS法制备了Si-Yb-Gd和Si-Yb-Gd-Hf两种块体材料,对其微观结构和力学性能进行了测试与分析。研究发现由于组分熔沸点差别较大,导致材料未能反应均匀,尤其是Hf元素多以片状独立存在;对比两种材料的力学性能发现掺杂Hf元素后材料的硬度和杨氏模量有所降低。(2)对制备的两种块体材料进行了高温氧化实验,发现材料的氧化层随氧化时间的增长和氧化温度的升高出现了Yb元素富集和Si元素贫化的现象,而且Gd元素出现在氧化层的表层,但在氧化层与基体界面处有贫化现象。研究发现这一现象是合金的选择性氧化和氧在氧化物中的扩散系数共同作用的结果,因为Gd氧化时的吉布斯自由能变化与Yb大致相同且低于Si和Hf,但Gd2O3的氧扩散系数高于Yb2O3,Yb2O3的形成阻止了Gd的进一步氧化。另外,由于Yb氧化产生的体积变化小,可以避免产生较大的内应力,是十分合适掺杂于复合粘结层中。(3)采用传统的APS法对涂层的制备进行了尝试与探索,研究发现传统的APS在制备粘结层时会发生一定程度的氧化,对涂层造成不利影响。另外,多组分复合粘结层使用APS喷涂难以保证成分分布均匀,这会导致涂层存在多种相成分,使得涂层存在薄弱区域,涂层易在此区域失效。对优化涂层制备提出了可行的建议,可以从设备与工艺上进行改进。
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