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復合材料的制備及其1500℃耐水氧腐蝕性能

西北工業(yè)大學超高溫結(jié)構(gòu)復合材料重點實驗室成來飛教授團隊在期刊《journal?of?materials?research?and?technology》上發(fā)表了論文。主要研究了SiC基復合材料在1500℃高溫水氧環(huán)境下的耐腐蝕性能。

2026-03-13

DOI：10.1016/j.jmrt.2023.04.150

西北工業(yè)大學超高溫結(jié)構(gòu)復合材料重點實驗室成來飛教授團隊在期刊《journal of materials research and technology》上發(fā)表了題為“Fabrication of SiCw/SiCeSieY composites and their?resistance to water-oxygen corrosion at 1500℃”的論文。主要研究了SiC基復合材料在1500℃高溫水氧環(huán)境下的耐腐蝕性能。

研究背景

隨著航空航天的發(fā)展，航空發(fā)動機熱端部件材料需要再高溫和高速水氧環(huán)境下仍保持優(yōu)異的力學性能和耐腐蝕性，而傳統(tǒng)的鎳基合金無法滿足苛刻的高溫要求。開發(fā)一種新型Y改性SiC基復合材料SiC_w/SiC -Si-Y，以提升其在1500℃高溫水氧環(huán)境下的耐腐蝕性。

材料體系

1.SiC_w/SiC -Si-Y：Y改性SiC基體復合材料

2.對照組：SiC_w/SiC (未改性)

水氧實驗：?

在1500℃高溫下，30 vol% H₂O + 20 vol% O_2?+ 50vol% Ar的氣體混合物，流速是50 mL/min。實驗時間分別是1，5，10，25，50，100h。將五個試樣緩慢推入爐心，總的腐蝕時間為20h，分別在腐蝕?1h、5h、10h和20h后取出所有試樣并進行稱重。根據(jù)公式計算質(zhì)量變化量 △m。

腐蝕機理與保護機制

1.未改性SiC_w/SiC：在高溫水氧環(huán)境中，SiC氧化生成SiO₂，進一步與水反應(yīng)生成揮發(fā)性Si(OH)₄，導致質(zhì)量損失孔隙增加，力學性能下降

2.Y改性SiC_w/SiC-Si-Y：基體中YSi₂在腐蝕環(huán)境中原位氧化生成Y₂SiO₅致密保護層。一直SiO₂揮發(fā)，減少質(zhì)量損失，腐蝕后強度、韌性不降反升。

力學性能與腐蝕后性能

腐蝕前：彎曲強度363MPa，斷裂韌性9.14MPa·m^1/2

腐蝕后：彎曲強度保留率106.1%，斷裂韌性保留率103.6%

對照組(未改性SiC_w/SiC)：強度保留率僅76.9%，斷裂韌性保留率76.8%，孔隙率顯著增加，耐腐蝕性差。

腐蝕深度對比

SiC_w/SiC-Si-Y的腐蝕深度約為30 μm

SiC_w/SiC的腐蝕深度約為170 μm

研究結(jié)果

開發(fā)了一種具有優(yōu)異高溫力學性能和耐水氧腐蝕性能的SiCw/SiC-Si-Y復合材料，Y改性SiC基體通過原位形成Y₂SiO₅保護層，腐蝕后材料的強度和韌性不降反升，顯著提升了材料在1500℃高溫水氧環(huán)境下的耐腐蝕性。

中環(huán)電爐設(shè)備

高溫靜態(tài)水氧腐蝕設(shè)備利用實驗室測試方法,準確模擬渦輪發(fā)動機工作環(huán)境的高溫、高水蒸氣分壓和水蒸氣速度，針對材料的熱腐蝕、水蒸氣氧化腐蝕進行循環(huán)測試，以正確評估材料的熱化學穩(wěn)定性。該設(shè)備由進氣控制系統(tǒng)、進液控制系統(tǒng)、均勻汽化裝置、伴熱管路及加熱反應(yīng)器等部分組成。主要適用于高溫熱障涂層、復合材料，合金等領(lǐng)域。

設(shè)備特點：

·◆ 精準控制進液量

·◆ 液態(tài)水的均勻汽化和氣體混合

·◆ 載氣多量程可選：300ml/1000ml/3000ml（靜態(tài)）

·◆ 最高溫度可選：1200℃/1600℃

·◆ 可預設(shè)多組工藝，每組50段程序控制