焦硅酸镥/单硅酸镥双相复合环境障涂层的韧化机制研究

为了解决SiC陶瓷表面Lu2Si2O7环境障涂层在航空发动机工作环境条件下出现的韧性降低、产生裂纹，使基体暴露于高温燃烧气氛中发生腐蚀等现象，结合Lu2Si2O7 和Lu2SiO5在1300℃-1500℃温度区间的相变特点，提出在Lu2Si2O7涂层中复合一定数量的Lu2SiO5组分，以提高涂层韧性的研制路线。探讨利用Lu2SiO5在Lu2Si2O7相中的占位阻挡作用和钉扎效应，抑制由于相转变而引起的体积收缩和Lu2Si2O7相的颗粒粒度增大等因素导致涂层产生应力、韧性降低、形成裂纹等现象的可行性。测试和计算结果表明复合涂层与中间过渡层莫来石的热膨胀系数更加匹配，低挥发率和低氧透率的Lu2SiO5的存在有望提高涂层的高温抗氧化性。通过分析涂层在不同温度发生相转变过程的微观组织以及热力学合理性和动力学机理，确定涂层的韧化机制，获得抑制裂纹形成的有效方法，为涂层成分的设计和韧性化提供理论指导。

利用环境障涂层降低硅基非氧化物陶瓷（碳化硅、氮化硅等）材料在航空发动机服役环境介质（水蒸气、熔盐等）中的腐蚀，已经成为航空发动机热端部件材料研究的热点之一。稀土元素镥的硅酸盐因其在高温环境下具有比现有环境障涂层更好的性能而成为重要的新型环境障涂层的候选材料。然而，单独使用焦硅酸镥（Lu2Si2O7）或单硅酸镥（Lu2SiO5）作为面层材料会由于在高温条件下发生的相转变导致体积收缩，涂层表面产生应力，形成裂纹，造成涂层对基体材料的保护作用失效。因此，需要重新设计面层材料体系的组成和配比，研究涂层在模拟发动机工作环境中相组成及其变化规律，探讨新设计的涂层材料组成体系高温氧化性能、熔盐腐蚀性能和高温水蒸气腐蚀性能，研究失效机制，提高涂层的韧性，具备重要的理论研究意义。. 项目通过高温合成反应分别制备纯度很高的Lu2Si2O7和Lu2SiO5粉体。按照项目实验方案设计的配比（六种）通过固相烧结获得环境障涂层面层材料复合样块，通过对复合组分样块的高温稳定性能、热物理性能、以及晶型结构分布的测定，得到两种粉体在复合样块中的数量对性能影响的对应关系。以碳化硅为基体材料，采用等离子喷涂方法制备了Si/Mullite/ Lu2Si2O7-Lu2SiO5环境障涂层，层厚200-300微米。使用特制的水氧腐蚀试验设备，模拟航空发动机服役环境，试验周期100小时，对比研究碳化硅表面涂覆与未涂覆该涂层试样的抗水氧腐蚀性能，并分别在不同时间点取样，评价腐蚀状况，进行物相分析，观察高温水氧腐蚀后的微观形貌及元素互扩散情况，分析涂层失效机理。. 通过大量系统的试验和宏观与微观的表征，得到具备实际应用价值的试验结果。.（1）精准合成出纯度和结晶度都较高的Lu2Si2O7和Lu2SiO5粉体。.（2）设计并复配不同比例组成的环境障涂层粉料，根据测试结果优选最佳组成。.（3）在最佳的配比下，在1350℃、空气氧化气氛下，复合样块具有较高的热稳定性，无新物质生成。.（4）配比在[m(Lu2Si2O7 )/m( Lu2SiO5)= 6:4]时，涂层耐熔盐腐蚀和高温水氧腐蚀表现最佳。.（5）试验还发现，在水氧腐蚀过程中有新相Lu3Al2Al3O12产生，体积将发生微小变化，萌生微裂纹，导致涂层失效。能谱分析还证明，中间层和面层在高温条件下存在互扩散行为，发生高温反应。