新型La2Zr2O7环境障涂层的1300℃热冲击行为研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京航空材料研究院金属腐蚀与防护研究室 作者:许振华

  采用化学气相沉积和原位合成工艺在Cf/SiC 基体上制备了Si/3Al2O3·2SiO2/La2Zr2O7 新型环境障涂层(Environmental Barrier Coatings,EBC),研究了EBC 涂层在1300 ℃的抗热冲击性能。结果表明,涂覆Si/3Al2O3·2SiO2/La2Zr2O7 涂层的Cf/SiC 试样,在热冲击试验进行到121 次时发生了过早剥落失效。试验过程中,3Al2O3·2SiO2 中间层内的Al 元素发生外扩散并在面层中发生反应生成LaAlO3,La2Zr2O7 在1300 ℃高温热冲击环境下发生烧结和粉化,以及由于热膨胀系数差异造成的EBC 涂层内残余应力的产生均是导致EBC 涂层过早剥落失效的主要原因。

  随着现代航空工业的发展,飞机发动机的推重比越来越高,其涡轮前进口温度也随之提高,对材料的要求也越来越苛刻。目前发动机所用的热结构材料均为高温合金,致使发动机的结构效率低及复杂化,很难适应新一代高推重比发动机苛刻的热环境。与高温合金相比,炭纤维增强碳化硅复合材料(Carbon Fiber Reinforced Silicon Carbide Composites,Cf /SiC)因具备耐高温、低密度、高强度等优点,是高推重比航空发动机热端部件的理想材料。

  在发动机高温服役环境下,由于空气中含有大量的水蒸气,SiC 与空气中的氧气、SiC 与水蒸气均发生反应生成SiO2,SiO2 接着与水蒸气发生反应生成易于挥发的Si(OH)4 ,促使Cf/SiC 中的炭纤维暴露在空气中,炭纤维与空气中的氧气又进一步发生反应。如此循环,最终导致Cf /SiC 的性能急剧下降,期间发生的化学反应如式(1)~(4)所示:

新型La2Zr2O7环境障涂层的1300℃热冲击行为研究

  因此,为了延长Cf /SiC 在高推重比航空发动机苛刻工作环境下的使用寿命,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为在Cf/SiC 基体表面涂覆环境障涂层是一种有效的解决办法。典型的Si/3Al2O3·2SiO2(莫来石)+BSAS(1-xBaO-xSrO-Al2O3-2SiO2,0≤x≤1)/BSAS 三层结构环境障涂层已经获得应用。为了追求更高的使用温度,目前对于EBC 体系面层的研究方向主要集中在稀土硅酸盐(RE2SiO5或RE2Si2O7,RE:稀土元素)或稀土锆酸盐(RE2Zr2O7,RE:稀土元素)上,其中La2Zr2O7 材料在温度超过1300 ℃时相结构稳定, 同时其热膨胀系数与3Al2O3·2SiO2、BSAS 等中间层材料较为接近,因此可以作为环境障涂层稀土锆酸盐面层的潜在候选材料之一。

  目前,环境障涂层在国内的研究刚起步,存在的主要问题是涂层的过早剥落失效问题。因此,研究其在高温环境下的抗热冲击性能是非常必要的,也是保证环境障涂层可靠使用的关键因素。本研究采用化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,CVD) 技术在Cf/SiC基体上首先分别制备Si 和莫来石中间层,其次利用原位合成(In-situsynthesize)技术制备La2Zr2O7 面层,测试其在1300 ℃下的高温抗热冲击性能,通过对涂层的相结构、微观组织和热膨胀行为研究,探讨环境障涂层在高温环境下的可能失效机理。

3、结论

  (1) 涂覆Si/3Al2O3·2SiO2/La2Zr2O7 环境障涂层的Cf /SiC 试样在1300 ℃反复快速加热- 冷却的循环条件下,当热冲击试验进行到121 次时试样发生过早剥落失效;

  (2) 在试验过程中3Al2O3·2SiO2 中间层内Al元素的向外扩散,并在面层中发生化学反应形成不稳定的LaAlO3 新物相,造成中间层、面层的成分偏离化学计量比和相结构失稳。同时,La2Zr2O7在1300 ℃发生局部烧结和粉化,引起体积收缩和面层内孔隙增加均是导致EBC 涂层最终过早剥落失效的主要原因之一;

  (3)由于热膨胀系数的差异,涂层内残余应力和张应力释放速率随试验时间的延长而增大,当应力水平达到一定程度时易于引起涂层内微观裂纹的萌生和滋长,微观裂纹的桥联和大面积扩展将导致涂层的剥落失效。

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