更高温环境障碍涂层粘结层的气溶胶沉积机制及其环境性能演变机理

Environmental barrier coating (EBC) is one of the key technology that ensure the application of ceramic matrix composites (CMCs) in hot-components of aero-engine. Multilayer EBC are considered to be the best option to realize this application. Bonding layer, which affects the bonding strength between high modulus CMC and middle/top layer of EBC, is the key fact of this design and its temperature endurance defines the upper application temperature limit of EBCs. Therefore, developing bonding layer capable of using at elevated temperature is one of the key topic in this field. In this proposal, low cost and complex composition controllable aerosol deposition (AD) is utilized to high throughput screen bonding layers material systems and also to establish the design principle. This project attempts to break through the co-design of stress within the film and its microstructure by AD process, to clarify the effects of composition, mechanical and thermal physical properties on the bonding strength of bonding layers, to investigate the performance evolution of SiC with bonding layers fabricated by AD process in high temperature corrosion atmosphere. The achievement of this project has very important theoretic and scientific meaning for proper design and controllable preparation of EBC with independent property rights, increasing the application temperature and lifetime of CMCs and enhancing our international competitiveness in aero-engine field.

环境障碍涂层（EBC）是陶瓷基复合材料（CMC）在航空发动机热端部件成功应用的关键技术之一，而多层设计是实现EBC设计效能的必由之路。其中，作为底层的粘结层因控制着高模量的CMC与EBC中间层/面层间的结合力而成为多层设计的关键，其本身的耐温性更是影响着涂层的使用温度上限。探索和发展更高温粘结层体系，成为EBC研究的重要课题。本项目采用复杂组份可控、快捷、低成本的气溶胶室温沉积方法，实现粘结层材料体系的高通量筛选，建立其设计准则。本项目拟突破气溶胶沉积EBC粘结层内应力和微结构的协同设计，揭示材料成份、力学性能和热物理性能对粘结层结合强度等性能的影响机制，获得带粘结层SiC的环境性能演变机理。项目成果对发展具有自主产权EBC涂层的科学设计和可控制备，提高CMC在航空发机热端部件中的使用温度和寿命，以及提升我国在空天动力领域的国际竞争力具有重要的理论意义和科学价值。

航空发动机涡轮前进口温度越高，推重比越大，可飞行速度越快。耐高温的SiC陶瓷基复合材料（SiC-CMC）是进一步提升发动机性能的重要候选材料。然而，SiC-CMC在水、氧等高温环境下腐蚀严重，服役性能急剧下降。环境障涂层（EBC）是在SiC-CMC和腐蚀性环境间建立一道屏障，是决定其能否成功应用于航空发动机的关键，并决定我国新一代航空发动机的发展水平。目前EBC多层结构中的Si粘结层，只能在1300℃以下使用，严重限制了整个EBC的使用温度上限。为此，本项目以Si粘结层为研究对象，引入耐高温的HfO2掺杂来提升其性能，实现了Si-HfO2复合粉体可控制备、涂层制备工艺优化及其环境性能考核验证，并建立了Si-HfO2粘结层的基本设计原则。采用机械混合、冷冻干燥、焙烧破碎和喷雾干燥等多种方法制备了Si-HfO2复合粉体，探明了制备工艺和方法对粉体成分及其分布、颗粒形貌、粒径分布、流动性等性能的影响规律，实现了成分和形貌可控、粒径可调的复合粉体制备技术，并率先采用气压法表征粉体颗粒强度；阐明了成分、粒径、流动性等粉体特性和功率、载气流量等涂层制备工艺参数与所得涂层微结构、成分及其分布、致密度、粘结强度等性能的影响规律，建立了粉体特性、沉积工艺与涂层性能间的映射关系；揭示了Si-HfO2粘结层的高温氧化机理，发现不仅HfO2的含量，而且其在涂层中的分布状态均会影响其氧化行为，并基于随机分散模型，采用Matlab计算了HfO2含量及其分布特征，提出HfO2含量最佳范围为20-30vol%，且在涂层中随机分布而不形成网络结构，如此HfO2既能消耗Si氧化生成的方石英，缓解其相变应力导致的裂纹产生，同时不会影响粘结层的抗氧化性能。研究成果在Ceramics International等重要期刊发表SCI学术论文3篇，参加国际会议并作特邀报告1次，申请国家发明专利1项，培养硕士研究生4名。