新一代高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，必然導(dǎo)致航空發(fā)動(dòng)機(jī)中燃?xì)鉁囟鹊奶岣撸鄳?yīng)造成高壓渦輪熱端部件表面溫度的提高。高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件表面溫度將達(dá)到1400℃以上[1]，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了現(xiàn)有高溫合金材料所能承受的溫度范圍。SiC陶瓷基復(fù)合材料具有耐高溫（長(zhǎng)期使用溫度最高達(dá)到1650℃）、低密度、高強(qiáng)度、高模量、抗氧化、抗燒蝕、對(duì)裂紋不敏感等特點(diǎn)，成為可以取代高溫合金的最有潛力的熱結(jié)構(gòu)材料。該材料可以使航空發(fā)動(dòng)機(jī)大幅度減重，減少燃?xì)夂屠鋮s空氣量，提高推重比。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上，SiC陶瓷基復(fù)合材料主要應(yīng)用于熱端部件，如尾噴管、燃燒室/加力燃燒室、渦輪等，該材料可以提高工作溫度達(dá)到200~500℃，結(jié)構(gòu)減重30%~50%，已成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)提高推重比的關(guān)鍵熱結(jié)構(gòu)材料之一。

    在發(fā)動(dòng)機(jī)工作環(huán)境下，高溫、腐蝕介質(zhì)、燃?xì)鉀_刷以及復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境等多因素交互作用，SiC陶瓷基復(fù)合材料表面穩(wěn)定性急劇惡化，成為制約其應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的主要因素之一。環(huán)境障涂層（Environmental Barrier Coatings, EBC）可以有效解決這一難題，成為SiC陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)用于高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的關(guān)鍵技術(shù)。

    環(huán)境障涂層材料進(jìn)展

    1 環(huán)境障涂層材料的要求

    SiC陶瓷基復(fù)合材料在高溫干燥環(huán)境下，表面生成一層致密、穩(wěn)定的SiO2，可以保護(hù)材料不發(fā)生進(jìn)一步氧化，具有良好的表面穩(wěn)定性[2]。當(dāng)環(huán)境中含有水蒸汽時(shí)，SiC將發(fā)生較大失重[3]。這歸因于SiO2與水蒸汽發(fā)生反應(yīng)生成易于揮發(fā)的Si（OH）4，如下式表示：

    SiO2（s）＋2H2O（g）＝Si（OH）4（g）。

    該反應(yīng)對(duì)氣流速率敏感，并隨氣流速率增加而反應(yīng)加劇。因此SiC陶瓷基復(fù)合材料在發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件長(zhǎng)期使用必須有環(huán)境障涂層保護(hù)，避免材料失效。

    環(huán)境障涂層是指在發(fā)動(dòng)機(jī)工作環(huán)境下使用的高溫結(jié)構(gòu)材料表面的防護(hù)涂層（一般為氧化物或氧化物混合物陶瓷涂層），該涂層能夠在高溫結(jié)構(gòu)材料和發(fā)動(dòng)機(jī)惡劣環(huán)境間設(shè)立一道屏障，阻止或減小發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境對(duì)高溫結(jié)構(gòu)材料性能的影響。環(huán)境障涂層的選擇必須考慮以下4點(diǎn)[4]：

    （1）材料本身必須惰性，氧滲透率低；

    （2）熱膨脹系數(shù)與基體匹配良好；

    （3）有良好的相結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，工作環(huán)境不發(fā)生相轉(zhuǎn)變；

    （4）涂層和基體及基體表面生成的SiO2之間有較好的化學(xué)匹配，不發(fā)生反應(yīng)。

    2 第一代環(huán)境障涂層

    早期的涂層工作主要針對(duì)熔融鹽的防護(hù)，發(fā)展了第一代莫來(lái)石涂層。莫來(lái)石（3Al2O3.2SiO2）與SiC具有相近的熱膨脹系數(shù)（CET（SiC） = 4.6×10-6℃-1，CET（莫來(lái)石） = 5.0×10-6℃-1）和良好的化學(xué)相容性，并且熱導(dǎo)率低、氧透過(guò)率低、具有較好的耐高溫腐蝕性能。單層莫來(lái)石涂層顯示出良好的抗熱震和抗熱腐蝕性能[5]。然而等離子涂層工藝制備的莫來(lái)石涂層容易在受熱后產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致腐蝕性介質(zhì)通過(guò)裂紋侵蝕基體。NASA Glenn 研究小組發(fā)現(xiàn)等離子噴涂的莫來(lái)石涂層在快速降溫時(shí)形成無(wú)定形態(tài)，但在工作溫度下受熱發(fā)生結(jié)晶引起體積收縮，從而導(dǎo)致裂紋發(fā)生[6]。經(jīng)過(guò)工藝改進(jìn)后涂層形成多晶態(tài)莫來(lái)石，極大地提高了莫來(lái)石涂層的抗熱沖擊和可靠性，涂層可以在空氣中1300℃下保持1200h，高壓熱腐蝕環(huán)境中1000℃下保持150h[7-8]。

    20世紀(jì)90年代中期，SiO2在水蒸汽環(huán)境生成揮發(fā)性的Si（OH）4的機(jī)理被研究者認(rèn)識(shí)到，環(huán)境障涂層研究的重點(diǎn)因此轉(zhuǎn)移到對(duì)水蒸汽侵蝕的防護(hù)。莫來(lái)石具有較高的SiO2活度（約0.4），抗水蒸汽侵蝕能力弱，在水蒸汽環(huán)境表面穩(wěn)定性差。隨后NASA Glenn研究團(tuán)隊(duì)嘗試在莫來(lái)石表面加上Y2O3部分穩(wěn)定的ZrO2（YSZ），但是因熱脹系數(shù)不匹配造成涂層可靠性差，涂層在1300℃含水蒸汽環(huán)境下100h就發(fā)生氧化失效[9]。

    3 第二代環(huán)境障涂層

    針對(duì)第一代環(huán)境障涂層的問(wèn)題， NASA通過(guò)HSR-EPM計(jì)劃（The high speed research-enabling propulsion materials）發(fā)展了第二代涂層[4]。該涂層為多層結(jié)構(gòu)，形成了黏結(jié)層/中間層/面層三層涂層體系。使用Si作為黏結(jié)層，進(jìn)一步增強(qiáng)與基體的附著力；中間層為莫來(lái)石或者莫來(lái)石+ BSAS（BaO-SrO-Al2O3-SiO2）；選擇BSAS作為面層材料。BSAS與莫來(lái)石匹配性較好，擁有極好的抗裂紋擴(kuò)展能力，同時(shí)有較低的SiO2活度（約0.1），能減少涂層在腐蝕環(huán)境中的揮發(fā)。該涂層體系的確立極大地提高了環(huán)境障涂層的使用壽命和可靠性，典型的等離子噴涂環(huán)境障涂層Si/莫來(lái)石＋BSAS/BSAS涂層結(jié)構(gòu)見圖1[10]。燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)外場(chǎng)考核證明帶有EBC涂層（Si/mullite-BSAS/BSAS）的SiC/SiC燃燒室襯套使用壽命能夠延長(zhǎng)接近3倍[11]。

    BSAS作為面層材料也有不足，主要是BSAS的最高工作溫度不能超過(guò)1300℃。相圖分析，1311℃時(shí)BSA（BaAl2Si2O8）與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為49%的SiO2生成低共熔化合物，同樣BSAS也會(huì)與SiO2生成低共熔化合物，形成玻璃相。由此會(huì)導(dǎo)致EBC涂層的損耗和過(guò)早失效（>1300℃），這限制了其在更高溫度下的使用。通過(guò)大量測(cè)試數(shù)據(jù)研究，NASA Glenn的研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為Si/莫來(lái)石/BSAS涂層或者Si/莫來(lái)石＋BSAS/BSAS涂層體系能夠在1300℃正常工作1000h以上，而不能超過(guò)1400℃，因?yàn)樵诔^(guò)1400℃的含有水蒸汽環(huán)境中，BSAS會(huì)因?yàn)榘l(fā)生大量的揮發(fā)而損耗，這會(huì)導(dǎo)致整個(gè)涂層體系發(fā)生過(guò)早失效[12]。因此，要想延長(zhǎng)EBC的使用壽命或提高其工作溫度，有必要尋找一種比BSAS有更低損耗速率的材料。

    4 第三代環(huán)境障涂層

    BSAS作為面層材料并沒(méi)有完全發(fā)揮出SiC陶瓷基復(fù)合材料的潛能。為了尋求更高的使用溫度，美國(guó)NASA正在研究新的面層材料來(lái)替代BSAS面層材料，這種材料表面能夠承受1482℃（2700℉）的溫度，并且在1400℃（2552℉）或更高溫度下和莫來(lái)石（或莫來(lái)石+BSAS）中間層有很好的化學(xué)兼容性與熱物理匹配性。稀土硅酸鹽材料由于具有低的熱膨脹系數(shù)、高溫相穩(wěn)定性和低的SiO2活度，有可能取代BSAS在更高溫度下使用，成為新型環(huán)境障涂層面層的候選材料[13]。

    在眾多的稀土硅酸鹽中，通過(guò)相結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、與莫來(lái)石化學(xué)相容性分析，Lu2Si2O7、Lu2SiO5、Yb2SiO5等幾種化合物的表面穩(wěn)定性和化學(xué)相容性優(yōu)于BSAS，適宜作為更高溫度下的涂層的面層材料。圖2為以稀土硅酸鹽為面層材料的環(huán)境障涂層截面微觀結(jié)構(gòu)，其在1500℃下的抗水熱腐蝕能力遠(yuǎn)優(yōu)于BSAS。稀土硅酸鹽作為涂層的面層材料，熱脹匹配不及BSAS好，容易在熱循環(huán)過(guò)程中產(chǎn)生裂紋，從而影響材料的可靠性和防護(hù)性能。稀土硅酸鹽涂層材料的應(yīng)用研究還不夠成熟，但是代表了未來(lái)環(huán)境障涂層的研究方向。

    EBC涂層環(huán)境性能測(cè)試技術(shù)的發(fā)展

    EBC涂層的可靠性直接影響陶瓷基復(fù)合材料構(gòu)件的可靠性，發(fā)達(dá)國(guó)家都十分重視EBC涂層環(huán)境性能測(cè)試技術(shù)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件工作環(huán)境非常復(fù)雜，是高溫、各類化學(xué)腐蝕（氧、水蒸氣和鹽等）與復(fù)雜應(yīng)力的綜合。EBC涂層的環(huán)境性能主要由熱物理化學(xué)環(huán)境因素決定，包括：氧、水蒸汽、腐蝕介質(zhì)（以鹽為主）、燃?xì)鉁囟取⑷細(xì)鈮毫Α⑷細(xì)饬魉俚取?duì)陶瓷基復(fù)合材料EBC涂層環(huán)境性能最直接的考核就是發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)猸h(huán)境考核，如20世紀(jì)90年代美國(guó)開展的在Solar Turbines公司Centaur 50S 燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行的陶瓷基復(fù)合材料燃燒室襯套外場(chǎng)考核，考核試車時(shí)間最長(zhǎng)達(dá)到了15144h，并證明EBC涂層（Si/mullite-BSAS/BSAS）能夠使SiC/SiC燃燒室外襯套使用壽命延長(zhǎng)2~3倍[14]。

    但是航空發(fā)動(dòng)機(jī)要求材料長(zhǎng)壽命，而作相應(yīng)的長(zhǎng)時(shí)試驗(yàn)?zāi)M耗費(fèi)巨大，發(fā)展等效實(shí)驗(yàn)?zāi)M方法受到重視，能夠以經(jīng)濟(jì)便利的實(shí)驗(yàn)手段和資源、較短時(shí)間試驗(yàn)獲得長(zhǎng)時(shí)試驗(yàn)結(jié)果。美國(guó)NASA和GE發(fā)動(dòng)機(jī)公司發(fā)展了一套模擬發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)猸h(huán)境的EBC環(huán)境性能實(shí)驗(yàn)室測(cè)試方法和設(shè)備[15-17]。測(cè)試的EBC環(huán)境性能包括：涂層的界面附著力、水蒸汽腐蝕、燃?xì)饬魉佟⑼繉訙囟忍荻龋釋?dǎo)率）、高的熱/冷速率、化學(xué)腐蝕。測(cè)試的設(shè)備包括：空氣環(huán)境熱循環(huán)、水熱循環(huán)、激光梯度臺(tái)架試驗(yàn)（Laser Gradient Rig Test）、火焰噴射梯度試驗(yàn)（Flame Jet Gradient Test）和臺(tái)架燃?xì)饽M（Burner Rig Test）。其中，空氣和水蒸汽熱循環(huán)容易實(shí)現(xiàn)。激光梯度臺(tái)架試驗(yàn)由NASA Glenn中心開發(fā)，利用激光產(chǎn)生較大熱流加熱涂層表面，涂層金屬背板空氣冷卻，通過(guò)溫度差測(cè)定可以獲得涂層熱導(dǎo)率，該裝置改進(jìn)后可以進(jìn)行水蒸汽環(huán)境下的溫度梯度試驗(yàn)。火焰噴射梯度試驗(yàn)由GE飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)公司研制，利用丙烷/氧焰加熱涂層表面，涂層背板有壓縮空氣冷卻，涂層表面溫度最高可達(dá)到1760℃，溫度梯度大，可以模擬發(fā)動(dòng)機(jī)不同的熱沖擊條件。臺(tái)架燃?xì)饽M（圖3）由NASA Lewis 研究中心研制，最早應(yīng)用于金屬環(huán)境涂層評(píng)價(jià)，可以替代高溫風(fēng)洞來(lái)研究材料在燃?xì)猸h(huán)境中的熱腐蝕和氧化行為，燃?xì)庵锌梢约尤臌}、甚至陶瓷顆粒用以評(píng)價(jià)涂層的抗熱腐蝕和熱應(yīng)力沖擊的能力，測(cè)試中試樣取向可以模擬不同的燃?xì)鉀_擊角度。以上測(cè)試方法與發(fā)動(dòng)機(jī)工作環(huán)境比較見表1。從表1各測(cè)試方法比較來(lái)看，雖然單個(gè)試驗(yàn)不能模擬發(fā)動(dòng)機(jī)工作環(huán)境，但是通過(guò)幾種試驗(yàn)組合可以有效的評(píng)價(jià)EBC涂層的環(huán)境性能。

    我國(guó)陶瓷基復(fù)合材料及其EBC涂層針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用的考核研究相對(duì)落后，突出表現(xiàn)在長(zhǎng)時(shí)性能測(cè)試手段滿足不了需求，材料環(huán)境性能的等效模擬試驗(yàn)工作剛剛開展，缺乏完備的環(huán)境性能考核評(píng)價(jià)體系。國(guó)內(nèi)還沒(méi)有陶瓷基復(fù)合材料及其EBC涂層在發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)猸h(huán)境的長(zhǎng)時(shí)（約1000h）考核數(shù)據(jù)。針對(duì)EBC涂層環(huán)境性能，開展的比較多的主要是的空氣氣氛下抗熱震性能，抗水蒸汽性能研究有北京航空材料研究院、西北工業(yè)大學(xué)等單位開展[18-20]，系統(tǒng)的環(huán)境性能評(píng)價(jià)非常缺乏。國(guó)內(nèi)材料研制部門和應(yīng)用部門已認(rèn)識(shí)到這一問(wèn)題，正在逐步重視和增加對(duì)環(huán)境性能考核的投入。目前比較迫切的是針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)猸h(huán)境發(fā)展科學(xué)、簡(jiǎn)易的模擬測(cè)試方法，建立環(huán)境性能考核評(píng)價(jià)體系，獲得涂層材料環(huán)境性能演變的過(guò)程信息，為材料的應(yīng)用和改進(jìn)發(fā)展提供準(zhǔn)確信息。

    結(jié)束語(yǔ)

    針對(duì)高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件使用的SiC陶瓷基復(fù)合材料可以通過(guò)環(huán)境障涂層保護(hù)避免材料失效。目前研究得比較成熟的是以莫來(lái)石為中間層，以BSAS為面層的環(huán)境障涂層，該涂層在工作溫度1300℃以下具有優(yōu)異的性能。以稀土硅酸鹽作為面層的環(huán)境障涂層能夠在更高的溫度下實(shí)現(xiàn)對(duì)陶瓷基復(fù)合材料的防護(hù)，代表了未來(lái)環(huán)境障涂層發(fā)展的方向。稀土硅酸鹽環(huán)境障涂層存在的不足是涂層在使用過(guò)程中容易產(chǎn)生裂紋，影響環(huán)境障涂層的可靠性。環(huán)境障涂層的環(huán)境性能考核評(píng)價(jià)也迫切需要重視。國(guó)內(nèi)相關(guān)材料研制和應(yīng)用部門需要針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)猸h(huán)境發(fā)展科學(xué)、簡(jiǎn)易的模擬測(cè)試方法，建立環(huán)境性能考核評(píng)價(jià)體系，為材料的應(yīng)用和改進(jìn)發(fā)展提供準(zhǔn)確信息。

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