【摘 要】
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环境屏障涂层（Environmental Barrier Coatings,EBC）是Si C陶瓷基复合材料（ceramic matrix composites,CMCs）在航空发动机热端部件上应用的关键技术之一,其主要作用是在CMCs和发动机恶劣环境之间设立一道屏障,阻止或减小水蒸气和氧气对Si C复合材料的高温腐蚀。传统的EBC多采用硅酸盐材料,尽管已基本满足1300～1400°C燃气环境中的
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环境屏障涂层（Environmental Barrier Coatings,EBC）是Si C陶瓷基复合材料（ceramic matrix composites,CMCs）在航空发动机热端部件上应用的关键技术之一,其主要作用是在CMCs和发动机恶劣环境之间设立一道屏障,阻止或减小水蒸气和氧气对Si C复合材料的高温腐蚀。传统的EBC多采用硅酸盐材料,尽管已基本满足1300～1400°C燃气环境中的使用要求,但在更高温度下Si-O键也会与水蒸气反应。发展不含Si的EBC新材料是满足CMCs热端部件未来在1400°C以上水氧耦合环境中使用要求的重要途径。镁铝尖晶石（MgAl2O4）是一种广泛使用的高性能耐火材料,具有良好的机械强度、高化学惰性,是一种潜在的EBC新材料。本论文系统研究了MgAl2O4作为EBC材料的热物理、化学和力学性能。通过大气等离子喷涂技术（APS）制备了MgAl2O4涂层及MgAl2O4基新型热/环境屏障涂层（Thermal/Environmental Barrier Coatings,T/EBC）,并研究了涂层在高温氧化和腐蚀环境中的服役性能及失效机理。采用高温固相反应在1300°C下合成了高纯度的MgAl2O4。DSC和XRD结果表明,MgAl2O4具有良好的高温相稳定性。MgAl2O4块体在室温至1300°C的平均热膨胀系数为7.90×10-6K-1,与两种稀土硅酸盐EBC材料:Er2Si O5(7.5×10-6K-1)和Yb2Si O5(7.1×10-6K-1)相当。此外,MgAl2O4具有良好的力学性能,其硬度值和断裂韧性分别为13.82±0.75 GPa和2.41 MPa·m1/2。对MgAl2O4和3Al2O3.2Si O2（莫来石）的陶瓷试样进行水氧腐蚀实验,结果表明MgAl2O4的抗水氧腐蚀性能优于3Al2O3.2Si O2。因此,MgAl2O4是一种很有希望的EBC新材料。通过APS技术制备了高结晶的MgAl2O4涂层。将3Al2O3.2Si O2和MgAl2O4分别喷涂在带Si粘结层的Si C基体上,并同时在1300°C热处理。喷涂态的3Al2O3.2Si O2涂层含有60%的无定形相,热处理过程中无定形相结晶,并伴随巨大体积收缩,因此在1300°C热处理可以观察到表面裂纹。随着热处理时间的延长,裂纹在3Al2O3.2Si O2涂层中不断扩展,最终导致3Al2O3.2Si O2涂层从基体表面脱落。MgAl2O4涂层在1300°C热处理后与基体仍然结合良好。这表明在MgAl2O4涂层在1300°C等温热处理过程中比传统3Al2O3.2Si O2涂层更好的使用寿命。研究对比了MgAl2O4涂层和3Al2O3.2Si O2涂层在3种不同成分的腐蚀介质（人工合成CMAS、粉煤灰、冰岛火山灰）中的腐蚀行为。结果表明,MgAl2O4涂层在3种腐蚀介质中的抗腐蚀性能均差于3Al2O3.2Si O2涂层。主要原因是MgAl2O4与腐蚀介质的化学碱度差值较大。这对EBC来说是潜在的弊端,由此引发了对EBC结构设计的思考。MgAl2O4涂层较差的抗热腐蚀性能和较高的热导率(室温-800°C:4.5Wm-1K-1-2.5 Wm-1K-1)是亟待解决的问题。为了提高涂层的热防护性能和抗热震寿命,设计了两种以MgAl2O4涂层为中间陶瓷层的新型T/EBC:Mg Si O4/MgAl2O4/3Al2O3.2Si O2-T/EBC和LMA/MgAl2O4/3Al2O3.2Si O2-T/EBC。通过高温热处理实验研究了两种T/EBC的高温耐久性,结果表明两种T/EBC均具有良好的高温耐久性,尤其是Mg Si O4/MgAl2O4/3Al2O3.2Si O2-T/EBC,主要原因是三种陶瓷层在热处理过程中发生了低共熔现象。
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