新型La2Zr2O7環(huán)境障涂層的1300℃熱沖擊行為分析

新型La2Zr2O7環(huán)境障涂層的1300℃熱沖擊行為分析采用化學(xué)氣相沉積和原位合成工藝在Cf/SiC基體上制備了Si/3Al2O3·2SiO2/La2Zr2O7新型環(huán)境障涂層(EnvironmentalBarrierCoatings，EBC)，研究了EBC涂層在1300℃的抗熱沖擊性能。結(jié)果說(shuō)明，涂覆Si/3Al2O3·2SiO2/La2Zr2O7涂層的Cf/SiC試樣，在熱沖擊試驗(yàn)開(kāi)展到121次時(shí)發(fā)生了過(guò)早剝落失效。試驗(yàn)過(guò)程中，3Al2O3·2SiO2中間層內(nèi)的Al元素發(fā)生外擴(kuò)散并在面層中發(fā)生反應(yīng)生成LaAlO3，La2Zr2O7在1300℃高溫?zé)釠_擊環(huán)境下發(fā)生燒結(jié)和粉化，以及由于熱膨脹系數(shù)差異造成的EBC涂層內(nèi)殘余應(yīng)力的產(chǎn)生均是導(dǎo)致EBC涂層過(guò)早剝落失效的主要原因。

隨著現(xiàn)代航空工業(yè)的發(fā)展，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比越來(lái)越高，其渦輪前進(jìn)口溫度也隨之提高，對(duì)材料的要求也越來(lái)越苛刻。目前發(fā)動(dòng)機(jī)所用的熱構(gòu)造材料均為高溫合金，致使發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)造效率低及復(fù)雜化，很難適應(yīng)新一代高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)苛刻的熱環(huán)境。與高溫合金相比，炭纖維增強(qiáng)碳化硅復(fù)合材料(CarbonFiberReinforcedSiliconCarbideComposites，Cf/SiC)因具備耐高溫、低密度、高強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，是高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的理想材料。

在發(fā)動(dòng)機(jī)高溫服役環(huán)境下，由于空氣中含有大量的水蒸氣，SiC與空氣中的氧氣、SiC與水蒸氣均發(fā)生反應(yīng)生成SiO2，SiO2接著與水蒸氣發(fā)生反應(yīng)生成易于揮發(fā)的Si(OH)4，促使Cf/SiC中的炭纖維暴露在空氣中，炭纖維與空氣中的氧氣又進(jìn)一步發(fā)生反應(yīng)。如此循環(huán)，最終導(dǎo)致Cf/SiC的性能急劇下降，期間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)如式(1)~(4)所示：

因此，為了延長(zhǎng)Cf/SiC在高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)苛刻工作環(huán)境下的使用壽命，真空技術(shù)網(wǎng)(http:///)認(rèn)為在Cf/SiC基體表面涂覆環(huán)境障涂層是一種有效的解決方法。典型的Si/3Al2O3·2SiO2(莫來(lái)石)+BSAS(1-xBaO-xSrO-Al2O3-2SiO2，0≤x≤1)/BSAS三層構(gòu)造環(huán)境障涂層已經(jīng)獲得應(yīng)用。為了追求更高的使用溫度，目前對(duì)于EBC體系面層的研究方向主要集中在稀土硅酸鹽(RE2SiO5或RE2Si2O7，RE：稀土元素)或稀土鋯酸鹽(RE2Zr2O7，RE：稀土元素)上，其中La2Zr2O7材料在溫度超過(guò)1300℃時(shí)相構(gòu)造穩(wěn)定，同時(shí)其熱膨脹系數(shù)與3Al2O3·2SiO2、BSAS等中間層材料較為接近，因此可以作為環(huán)境障涂層稀土鋯酸鹽面層的潛在候選材料之一。

目前，環(huán)境障涂層在國(guó)內(nèi)的研究剛起步，存在的主要問(wèn)題是涂層的過(guò)早剝落失效問(wèn)題。因此，研究其在高溫環(huán)境下的抗熱沖擊性能是非常必要的，也是保證環(huán)境障涂層可靠使用的關(guān)鍵因素。本研究采用化學(xué)氣相沉積(ChemicalVaporDeposition，CVD)技術(shù)在Cf/SiC基體上首先分別制備Si和莫來(lái)石中間層，其次利用原位合成(In-situsynthesize)技術(shù)制備La2Zr2O7面層，測(cè)試其在1300℃下的高溫抗熱沖擊性能，通過(guò)對(duì)涂層的相構(gòu)造、微觀組織和熱膨脹行為研究，探討環(huán)境障涂層在高溫環(huán)境下的可能失效機(jī)理。

3、結(jié)論

(1)涂覆Si/3Al2O3·2SiO2/La2Zr2O7環(huán)境障涂層的Cf/SiC試樣在1300℃反復(fù)快速加熱-冷卻的循環(huán)條件下，當(dāng)熱沖擊試驗(yàn)開(kāi)展到121次時(shí)試樣發(fā)生過(guò)早剝落失效;

(2)在試驗(yàn)過(guò)程中3Al2O3·2SiO2中間層內(nèi)Al元素的向外擴(kuò)散，并在面層中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成不穩(wěn)定的LaAlO3新物相，造成中間層、面層的成分偏離化學(xué)計(jì)量比和相構(gòu)造失穩(wěn)。同時(shí)，La2Zr2O7在1300℃發(fā)生局部燒結(jié)和粉化，引起體積收縮和面層內(nèi)孔隙增加均是導(dǎo)致EBC涂層最終過(guò)早剝落失效的主要原因之一;

(3)由于熱膨脹系