【摘 要】
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航空发动机作为先进装备的典型代表,致力于向高效率、高推重比方向发展。硅基陶瓷凭借着优异的高温性能成为了新一代航空发动机热端部件的候选材料,但服役时存在的高温腐蚀失效限制了硅基陶瓷在实际中的应用,由于环境障碍涂层材料能够缓解硅基陶瓷的高温腐蚀失效,为硅基陶瓷应用于实践提供可能。本文以Yb2Si2O7陶瓷为研究对象,采用高温固相法合成Yb2Si2O7粉体,探究合成工艺、原料粉混合比例对粉体物相组成的影
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航空发动机作为先进装备的典型代表,致力于向高效率、高推重比方向发展。硅基陶瓷凭借着优异的高温性能成为了新一代航空发动机热端部件的候选材料,但服役时存在的高温腐蚀失效限制了硅基陶瓷在实际中的应用,由于环境障碍涂层材料能够缓解硅基陶瓷的高温腐蚀失效,为硅基陶瓷应用于实践提供可能。本文以Yb2Si2O7陶瓷为研究对象,采用高温固相法合成Yb2Si2O7粉体,探究合成工艺、原料粉混合比例对粉体物相组成的影响,通过调整烧结方法和工艺参数探究了Yb2Si2O7陶瓷的致密化烧结工艺,设计并进行了不同条件下的高温CMAS熔盐腐蚀实验和高温水蒸气/氧腐蚀实验,探究了Yb2Si2O7陶瓷的高温腐蚀行为与腐蚀机理。将原料粉Yb2O3与Si O2按照1:2.2的摩尔比例混合,采用高温固相法在1500°C/4h条件下合成出纯相的Yb2Si2O7粉体。采用热压烧结在1550°C/2h/30MPa/氩气条件下制备出致密度高达98%、室温至1400oC温度范围内平均热膨胀系数为4.1×10-6K-1的纯相Yb2Si2O7陶瓷。Yb2Si2O7陶瓷的高温CMAS熔盐腐蚀行为包括熔盐渗入和腐蚀反应两个过程。CMAS熔盐沿晶界渗入到基体内部,反应生成针棒状Ca2Yb8(Si O4)6O2磷灰石相和非晶Si O2。随着腐蚀温度的升高,腐蚀反应过程近似由界面反应控制型转变为扩散控制型。腐蚀温度的升高增大了CMAS熔盐与Yb2Si2O7陶瓷的腐蚀反应程度,CMAS熔盐中Ca元素含量是决定Yb2Si2O7陶瓷与CMAS熔盐之间腐蚀反应过程的关键。当Ca元素含量较高时,反应生成磷灰石相和非晶Si O2,而随着腐蚀反应的进行,渗入CMAS熔盐中的Ca元素含量显著下降,在靠近基体一侧出现一些细小的Yb2Si2O7物相。Yb2Si2O7陶瓷与高温水蒸气/氧之间的腐蚀反应属于循环腐蚀过程,反应分为两个阶段,反应初期元素Si流失并与高温水蒸气反应生成Si(OH)4,腐蚀反应以晶界腐蚀为主。当Si元素含量降低后,腐蚀反应以Yb元素流失为主,与高温水蒸气反应生成Yb2Si O5、气态Yb(OH)3和Si(OH)4,此时晶内腐蚀程度高于晶界,腐蚀反应生成Yb2Si O5提高了材料的抗高温水蒸气/氧腐蚀性能,界面反应常数与温度满足关系式K=exp(25.26–51.36/T)。降低Yb2Si2O7陶瓷中Si元素含量可提高其抗高温水蒸气/氧腐蚀性能。
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