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航空發(fā)動機(jī)環(huán)境障涂層：材料及性能

為滿足新一代高推重比航空發(fā)動機(jī)對1400℃以上服役溫度的需求，傳統(tǒng)鎳基高溫合金已接近極限，因此亟需尋找替代材料；硅基非氧化物陶瓷（如SiC、Si?N?及其復(fù)合材料）因其優(yōu)異的高溫力學(xué)性能成為理想候選材料，但在發(fā)動機(jī)燃?xì)猸h(huán)境中……

2026-05-07

研究背景

為滿足新一代高推重比航空發(fā)動機(jī)對1400℃以上服役溫度的需求，傳統(tǒng)鎳基高溫合金已接近極限，因此亟需尋找替代材料；硅基非氧化物陶瓷(如SiC、Si?N?及其復(fù)合材料)因其優(yōu)異的高溫力學(xué)性能成為理想候選材料，但在發(fā)動機(jī)燃?xì)猸h(huán)境中，水蒸氣會與硅基陶瓷反應(yīng)生成揮發(fā)性的Si(OH)?，導(dǎo)致材料失重、性能退化甚至失效。為解決這一問題，必須在硅基陶瓷表面制備環(huán)境降涂層（EBCs），作為阻擋水蒸氣腐蝕的屏障，從而保障硅基陶瓷在航空發(fā)動機(jī)熱端部件上的可靠應(yīng)用。

傳統(tǒng)環(huán)境障涂層及失效機(jī)制

1.莫來石（Mullite，3Al?O?·2SiO?）涂層

改進(jìn)：采用加熱基體+等離子噴涂制備完全結(jié)晶莫來石，抗裂性顯著提高。

進(jìn)一步改進(jìn)：添加YSZ（Y?O?穩(wěn)定的ZrO?）面層，抑制SiO?揮發(fā)，但YSZ與莫來石熱膨脹系數(shù)不匹配，導(dǎo)致界面裂紋。

2.莫來石+ BSAS?多層涂層

1)結(jié)構(gòu)：Si粘結(jié)層?+?莫來石/莫來石+BSAS中間層?+ BSAS面層。

2)優(yōu)勢：

??BSAS（BaO-SrO-Al?O?-SiO?）熱膨脹系數(shù)與莫來石匹配好。

? 抗裂性顯著提升，耐久性達(dá)1000小時（1300°C）。

3)失效機(jī)制：

? BSAS在≥1300°C時揮發(fā)，尤其在高速燃?xì)猸h(huán)境中。

? Si粘結(jié)層氧化生成SiO?，與BSAS反應(yīng)生成低熔點(diǎn)玻璃相，被燃?xì)獯底摺?/span>

? CMAS（鈣鎂鋁硅酸鹽）污染物熔融后侵蝕涂層。

4)結(jié)論：第二代EBCs最高使用溫度受限(約1300°C)，無法滿足1400°C以上需求。

新型環(huán)境障涂層：稀土硅酸鹽

主要研究進(jìn)展

1.?抗氧化性能

Er?SiO?涂層（范金娟等）：1350°C氧化動力學(xué)符合對數(shù)規(guī)律，長期穩(wěn)定。

Yb?SiO?涂層（賀世美等）：1400°C下80小時開始失重，失效原因?yàn)?/span>Ba/Al元素擴(kuò)散、涂層燒結(jié)收縮及熱應(yīng)力。

2.?抗水氧腐蝕性能

Lu?Si?O?多層涂層（Ueno等）：1300°C蒸汽中500小時保持穩(wěn)定，表面出現(xiàn)氣孔（SiO?揮發(fā)）。

Yb?Si?O?涂層（Richards等）：1316°C蒸汽循環(huán)2000小時，TGO層僅2.5μm，耐久性優(yōu)異。

北京理工大學(xué)研究：

單層Y?SiO?涂層：123小時剝落。

Si/Y?SiO?雙層涂層：壽命延長至205小時（提高近2倍）。

3.?抗CMAS侵蝕性能

Yb?SiO? vs Yb?Si?O?（Stolzenburg等）：

? Yb?SiO?與CMAS強(qiáng)烈反應(yīng)，生成磷灰石相。

? Yb?Si?O?在96小時內(nèi)無明顯反應(yīng)，抗CMAS性能更優(yōu)。

??RE?Si?O?系列(Liu等)：

? Sc?Si?O?和Y?Si?O?可在界面形成反應(yīng)區(qū)，阻止CMAS滲透。

? 其他稀土（Yb、Lu、La等）的反應(yīng)區(qū)易溶解脫落。

研究結(jié)果

1)環(huán)境降涂層的三大關(guān)鍵要求：熱膨脹匹配、化學(xué)相容性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

2)稀土硅酸鹽（RE?SiO? / RE?Si?O?）是目前最有前景的下一代EBCs材料體系。

3)未來研究重點(diǎn)：多因素耦合（熱力化）環(huán)境下的長期穩(wěn)定性、CMAS防護(hù)、涂層結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

中環(huán)電爐設(shè)備

高溫靜態(tài)/高速水氧腐蝕設(shè)備利用實(shí)驗(yàn)室測試方法,準(zhǔn)確模擬渦輪發(fā)動機(jī)工作環(huán)境的高溫、高水蒸氣分壓和水蒸氣速度，針對材料的熱腐蝕、水蒸氣氧化腐蝕進(jìn)行循環(huán)測試，以正確評估材料的熱化學(xué)穩(wěn)定性。其中高速水氧腐蝕設(shè)備的水蒸氣流速可高達(dá)150m/s。主要由進(jìn)氣控制系統(tǒng)、進(jìn)液控制系統(tǒng)、均勻汽化裝置、伴熱管路及加熱反應(yīng)器等部分組成。主要適用于高溫?zé)嵴贤繉印?fù)合材料，合金等領(lǐng)域。