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环境障涂层——挑战与机遇


来源:国际航空航天科学

[导读]  陶瓷基复合材料(CMCs)是新一代高推重比航空发动机高温部件的主要候选材料。然而在应用环境中,陶瓷基复合材料部件却面临着在高温水蒸气环境下存在性能退化(通称水氧腐蚀)及易受CMAS高温熔盐侵蚀的严峻挑战。而采用环境障涂层(EBC)可以使陶瓷基复合材料热端部件有效抵御发动机环境对基底表面的热腐蚀,提高其高温稳定性。本文在综述了环境障涂层研究的进展的基础上,分析了环境障涂层研究面临的挑战和机遇,提出了急需解决的技术问题。设计出多层多组分甚至多尺度结构的EBC涂层并通过选择适宜的涂层工艺得到高性能涂层,虽具有很大的挑战性,却能满足陶瓷基复合材料高温构件对EBC涂层的迫切需求。

中国粉体网讯  两机动力装备是一个国家科技、工业、经济和国防实力的重要标志,被誉为现代工业“皇冠上的明珠”。然而,航空发动机的“心脏病问题”却长期困扰着中国航空工业。推重比是衡量航空发动机工作能力的重要指标,提高涡轮前温度则是实现航空发动机高推重比的主要途径。表1给出了第三代至第五代航空发动机推重比所对应的涡轮前温度。


表1 航空发动机推重比和涡轮前温度



涡轮前温度的提高不可避免的使涡轮部件热负荷增加、热应力增大,从而对材料提出了更苛刻的服役性能要求。于是寻求一种新型的耐更高温度的结构材料已成为开发高推重比航空发动机的迫切需求。

 

陶瓷基复合材料(CMCs)质轻,只有高温合金的1/3,比强度和比模量高。相比高温合金,CMCs抗高温氧化、抗蠕变优异。同时,CMCs 有一定的耐损伤、抵抗裂纹扩展的能力。作为代表性的碳化硅纤维(SiCf)增强碳化硅陶瓷基复合材料(SiCf/SiC)是以碳化硅纤维为增强体,碳化硅为基体的一种复合材料。该材料密度低,仅为高温合金的20%~30%;性能可设计性强,如其力学性能和热导率可随纤维含量的提高而显著提高;高温力学性能优异,强度不随温度升高而显著下降;疲劳极限高,可达90%静态强度;同时具有抗氧化、耐腐蚀、耐磨损性能优异等特点,被视为新一代高推重比航空发动机高温部件的主要候选材料。

 

由于SiCf/SiC复合材料作为航空发动机热端部件材料可以获得以下优势:1) 耐受温度更高,可以取消或减少冷却气流,从而提高涡轮效率;2) 减少为降温而设置的附加构件,从而简化发动机结构;3) 材料密度低,可以降低结构重量,提高推重比;4) 冷却气流更少、燃烧室温度更高,燃料燃烧更为充分,可以提高燃油效率并减少CO和NOx的排放;5) 材料高温强度好、疲劳极限高,具有更长的使用寿命。因此,研究人员开始逐渐尝试使用碳化硅陶瓷基复合材料(CMC-SiC)作为发动机中等载荷静止部件如燃烧室、导向叶片、涡轮外环和尾喷管等材料,以满足航空领域对更高推重比、更低耗油率、更高稳定性发动机的研发需求。

 

上世纪80年代开始,我国多家单位陆续开展了CMC-SiC复合材料的研制以及在航空发动机上的应用探索,目前西北工业大学、国防科技大学、中航复材以及中科院上硅所和金属所均有相关报道,并具备构件研制、工程化和小批量生产能力。研制的SiC基复合材料燃烧室浮壁模拟件和尾喷管调节片构件已分别在高推重比航空发动机试验台成功地进行了初步验证,并通过了航空发动机环境的短时间考核。三维CMC-SiC带喷管燃烧室也多次发动机热试车考核。

 

然而在应用环境中,SiCf/SiC陶瓷复合材料部件却面临着在高温水蒸气环境下存在性能退化(通称水氧腐蚀,如图1)及易受CMAS (CaO-MgO-Al2O3-SiO2)高温熔盐侵蚀的严峻挑战(如图2)。为此,引入了环境障涂层(EBC)。所谓环境障涂层是指在发动机环境下使用的高温结构材料表面的防护涂层(一般为氧化物或复合氧化物陶瓷涂层),该涂层能够在高温结构材料和发动机恶劣环境(腐蚀性介质、高速气流冲刷等)间建立一道屏障,阻止或减小发动机环境对高温结构材料性能的影响。



图1 热端高温水蒸气降解模型



图2 飞机遭受CMAS腐蚀环境


1、EBC涂层国内外研究进展


在EBC涂层材料方面,设计硅基陶瓷环境障涂层时须考虑以下几个关键因素:涂层与基体良好的物理和化学相容性;涂层具有较好的高温稳定性,在使用温度内,涂层挥发性小、抗烧结、能保持相稳定;热膨胀系数与基体材料尽可能相近;良好的环境耐久性即很难与燃气燃烧攻击性环境发生反应等。此外,还期望涂层具有较低的热导率,以起隔热作用,能进一步提高硅基陶瓷的工作温度。迄今为止,单一涂层很难同时满足以上要求,环境障涂层体系通常采用多层复合涂层系统。稀土硅酸盐材料因相稳定性好,热膨胀系数较低,作为高温涂层材料引起了广泛关注,是一种比较理想的抗高温氧化涂层材料。研究表明,与单层环境障涂层相比,多层复合涂层结构能更为有效地隔绝碳化硅基复合材料面临的高温燃气冲蚀、高温热循环、高温高速水氧腐蚀和CMAS腐蚀等极端环境的作用。

 

表2 NASA总结的SiCf/SiC陶瓷基复合材料环境障涂层体系的发展历程

 续表2



目前对于EBC的研究还存在一系列问题:1)如今,科学家们基本上采用多层结构来代替单层结构,以满足EBC组件的性能要求。然而,在使用条件下,仍然存在诸如化学相容性差、热膨胀系数不匹配、分层和过早失效等问题;2) EBC材料的选择主要取决于材料的性能,缺乏理论依据或准确的模型来判断某种材料是否可以用于制备EBC;3)涂层制备工艺非常复杂,不同的材料可能需要不同的工艺参数,然而相关参考标准稀缺;4)粘接层的最大耐受温度限制了所有含EBC组件的应用范围;5) CMAS易于与稀土硅酸盐反应,导致EBC的熔点降低并缩短使用寿命,这仍然是稀土硅酸盐EBC-CMC组分体系所面临的挑战;6)对于稀土硅酸盐EBC体系,目前测试性能主要采用高温燃烧器测试、蒸汽循环炉、高温蒸汽喷射和高能同步加速器X射线技术。真正的航空发动机服役条件非常复杂,包括高温和高压、高转速、不同侵蚀性介质、高气体和液体流速等。然而,实验室中获得有关稀土硅酸盐EBC寿命受限的机制的数据主要基于一个或两个参数,而不是实际服役条件。7)如果没有来自复杂涂层和构成涂层各层的纯化合物的精确比较数据,难以将化合物本身的作用与改变涂层微观结构的作用区分开来。显然,在不进行极其昂贵的发动机试验的情况下,分析稀土硅酸盐EBCS的失效机制仍然是一个难关。

 

指出EBC的未来发展趋势如下:与BSAS相比,Y,Yb和Lu等硅酸盐具有优异的耐高温、熔融盐和抗水蒸气腐蚀的能力,是最有希望为高推重比航空发动机热端组件提供环境保护的材料。另一方面,对EBC涂层材料进行环境性能考核,分析材料在服役环境下的性能演变规律和失效机理,评价材料的服役性能并对其进行寿命预测,对指导材料的设计制备和工程应用具有重要的意义。



图3 美国航空航天局(NASA) EBC涂层


近年来,我国虽然在陶瓷基复合材料的制备工艺,尤其是CVI制备C/SiC陶瓷基复合材料方面取得了重大突破,但是陶瓷基复合材料整体基础研究与国际先进水平还有一定的差距,其主要原因就是缺乏完备的环境性能考核评价体系,导致基础研究数据的匮乏,使得对材料的改进和应用都缺乏充分的理论依据。为此,西北工业大学率先在国内展开了高性能复合材料在发动机环境下的性能研究,并基于相似理论建立起航空发动机环境模拟平台,以再现材料的环境行为及其控制性因素,确定材料环境性能演变规律和失效模式。通过强化环境因素水平可实现急速模拟,以短时试验模拟长时服役时材料的环境性能演变规律,获得大量有效数据,分析材料的演变规律和失效过程,同时降低试验成本。正是基于上述平台,栾新刚教授提出了3D C/SiC在航空发动机模拟环境中的损伤模式,揭示了在不同模拟环境中的损伤机理,并推导出寿命预测公式,预测结果与实验测得数据较为一致。但目前国内能够直接适用并可表征复杂热化学环境下性能和行为的方法手段还是较为匮乏。


2. EBC涂层面临的挑战

 

新一代高推重比航空发动机的发展,必然导致航空发动机中燃气温度的提高,相应造成高压涡轮热端部件表面温度的提高。高推重比航空发动机热端部件表面温度将达到1400℃以上,这远远超过了现有高温合金材料所能承受的温度范围。所以,长期使用温度最高达到1650℃的SiCf/SiC复合材料成为可以取代高温合金的最有潜力的热结构材料。

 

但在发动机工作环境下,高温、腐蚀介质、燃气冲刷以及复杂应力环境等多因素交互作用使得SiCf/SiC复合材料表面稳定性急剧恶化,又成为制约其应用于航空发动机热端部件的主要因素之一。环境障涂层(EBC)可以有效解决这一难题,于是EBC 就成为SiCf/SiC复合材料应用于高推重比航空发动机热端部件的关键技术。

 

由于航空发动机的热物理化学和应力环境极为复杂,作用时间长,循环次数多,对材料性能影响复杂且缓慢,在SiCf/SiC复合材料表面施加可靠的EBC涂层的主要目的是抵抗水氧腐蚀CMAS等融盐腐蚀等。

 

然而,对用于CMC材料的环境障涂层而言,国内的技术成熟度和制造成熟度还不够高,涂层材料和涂层制备工艺技术尚待探索研究和优化完善。为此,对于环境障涂层(EBC)而言,必须突破诸多急需解决的技术问题,如:1) 新型环境障涂层材料的成分结构设计;2) 新型环境障涂层材料的制备工艺研究;3) 新型环境障涂层材料的组织结构性能表征;4) 新型环境障涂层的制备和组织结构性能表征。

 

这里,如何体现出新型?本人认为所谓新型必须超越目前的EBC,或在涂层材料体系上有所超越,或在涂层结构上有所超越。无论如何,设计出多层多组分甚至多尺度结构的EBC涂层并通过选择适宜的涂层工艺得到具有良好致密度、结合强度和均匀性的高性能涂层,满足SiCf/SiC等高温构件对EBC涂层的迫切需求,都具有很大的挑战性。抓住机遇,迎接挑战,创新突破,弯道超车,是时代赋予我们中国科技工作者的使命!


王铀,男,汉族,1954年生。现任哈尔滨工业大学材料科学系教授、博士生导师。

1989年获哈工大工学博士学位,1991年清华大学博士后出站被评为副教授,1993年任北航教授,1994年至2004年间旅居美国和加拿大,曾任美国标准技术研究院(原国家标准局)客座科学家、美国纳米材料集团高级工程师兼项目经理、加拿大阿尔伯塔大学访问教授。

2004年,作为海外引进人才回到哈工大,被聘为教授、博士生导师。现为黑龙江省表面工程学会理事长、中国金属学会高级会员、黑龙江省新材料专家委员会委员、上海新材料协会特聘专家、国际杂志《Journal of MaterialsS cience & Technology》编委会委员、国际杂志《Journal of Mechatronics》编委会委员、《中国表面工程》编委会委员、《纳米技术》编委会委员、《轴承》编委会委员、《热处理技术与装备》编委会委员,《Journal of Thermal SprayT echnology》嘉宾编辑,《Surface and CoatingsT echnology》嘉宾编辑,国际期刊《Applied Surface Science》Guest Editor ,还为《Wear》、《Thin Solid films》、《Materials Science andE ngineering A》、《Tribology letters》、《Corrosion Science》、《Surface Science》等二十多家国内外杂志的审稿人。

王铀教授是300余篇论文的作者,二十余项美国、中国或国际专利的发明人,数十篇文章为SCI收录并为同行在国际杂志引用约3000余次。H因子30。上世纪末因在摩擦学和表面工程方面的杰出贡献被英国剑桥国际传记中心选入《二十世纪2000杰出科学家》。2013至2018年,连续6年入选爱斯维尔高被引学者榜单。

因在纳米结构超高温热防护涂层方面的突出成绩,作为课题负责人承担国家航空发动机和燃气轮机重大研发专项,项目已于2018年8月启动。


(中国粉体网编辑整理/山川)

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