SiC_%28f%29_SiC复材表面Sc_%282%29O_%283%29-Y_%282%29O_%283%29-ZrO_%282%29基梯度可磨耗涂层设计及性能研究.pdf

材料研究与应用 2023，17（3）：521526Materials Research and ApplicationEmail：http：/SiCf/SiC复材表面 Sc2O3-Y2O3-ZrO2基梯度可磨耗涂层设计及性能研究靖建农,张乐,李其连,王纯,李淑青（中国航空制造技术研究院/高能束流加工技术国家级重点实验室/先进表面工程技术航空科技重点实验室，北京 100024）摘要：SiCf/SiC 陶瓷基复合材料是未来航空发动机重要材料之一，其表面涂层是保护 SiCf/SiC 陶瓷基复合材料关键技术。针对陶瓷基复材表面的 Sc2O3-Y2O3-ZrO2基可磨耗涂层与 EBC 涂层结合力不够高、应力匹配性差等问题，开展 Sc2O3-Y2O3-ZrO2基梯度可磨耗涂层设计、制备与考核技术研究，并且与非梯度可磨耗涂层进行性能对比。研究结果表明：梯度可磨耗涂层比非梯度可磨耗涂层结合强度提高了 6.7%；在（1 25050）高温冲击 1 000次后，梯度可磨耗涂层 剥落面积仅为非梯度可磨耗涂层剥落面积的 1/6。因此，梯度可磨耗涂层具有更好的力学性能，有望在未来航空发动机中得到广泛应用。关键词：SiCf/SiC陶瓷基复合材料；梯度可磨耗涂层；结合强度；热冲击中图分类号：TB383文献标志码：A 文章编号：1673-9981（2023）03-0521-06引文格式：靖建农，张乐，李其连，等.SiCf/SiC 复材表面 Sc2O3-Y2O3-ZrO2基梯度可磨耗涂层设计及性能研究 J.材料研究与应用，2023，17（3）：521-526.JING Jiannong，ZHANG Le，LI Qilian，et al.Design and Evaluation of Sc2O3-Y2O3-ZrO2 Based Abradable Coatings on SiCf/SiC Composites J.Materials Research and Application，2023，17（3）：521-526.随着新一代高推重比航空发动机的发展，其热端部件的表面温度将普遍高于 1 400，远远超过传统高温合金材料的服役温度范围。SiCf/SiC 复合材料区别于现有高温合金材料体系，其具有密度低、强度大、模量大，且在高温环境下抗氧化能力强及具有较高的断裂强度等优势，是未来替代高温合金的重要材料1-3。SiCf/SiC 复合材料主要作为发动机尾喷管、燃烧室、涡轮及涡轮外环等高温部件，在发动机高温、腐蚀介质、燃气冲刷及复杂应力等环境的多因素交互作用下4，材料表面氧化生成的 SiO2会与环境中的水蒸气反应形成 Si（OH）4，导致材料性能急剧衰减，因此高温条件下水氧腐蚀是限制 SiCf/SiC复合材料应用于航空发动机的主要因素之一5。在材料表面制备一层耐熔盐腐蚀及水氧腐蚀的涂层是一项关键技术6。对于 SiCf/SiC 陶瓷基涡轮外环构件，其表面除了需要制备环境障涂层以抵抗水氧腐蚀外，还需要制备一层厚度约为 1.52 mm 的高温可磨耗涂层以提供涡轮叶片与涡轮外环的封严作用。由于涂层厚度大、层数多，在高温复杂环境下极易发生剥落而造成发动机工作效率下降，气动性能遭到破坏而引发喘振，从而影响发动机运行稳定及服役安全7-8。因此，在 SiCf/SiC 复材表面环境障涂层上制备高性能可磨耗涂层是研究的重要课题9。从使用温度上来看，SiCf/SiC 复材表面可磨耗涂层属于高温可磨耗涂层，要求涂层材料在高温环境下不发生相变及不发生分解。欧美国家在高温可磨耗涂层领域中开展了大量研究，并且已经在发动机方面获得实际应用。GE 公司研制了以-NiAl金属间化合物为金属相和聚酯为润滑相的涂层材料，能够在 850 条件下工作 24 000 h；Sulzer Metco 公司以CoNiCrAlY为粘结相，通过添加聚苯脂和h-BN，使涂层材料具有优异的可磨耗性能，其服役温度可达 850 10。国内，关于高温可磨耗涂层的研究取得了一定进展。运广涛等11研究了 NiCrAlYSi-hBN可磨耗涂层在800 条件下与DD6镍基单晶高温合金的磨损行为，认为涂层的高温磨损失效机制是十分复杂的，主要为切削、塑性变形、高温氧化、粘着磨损等。纪朝晖等12发现，可磨耗涂层润滑相含量越多，磨损过程中润滑膜越易形成，从而使摩擦系数降低，且润滑相粉末粒径尺寸越小摩擦系数越小，涂层结合收稿日期：2023-04-07基金项目：国家重大科技专项项目（2017-VI-0020-0092）作者简介：靖建农，博士，工程师，从事表面工程技术研究，E-mail：。DOI：10.20038/ki.mra.2023.000314材料研究与应用 2023年 第 17 卷 第 3 期强度越高。程旭东等13在 YSZ 粉体中添加聚合物及 h-BN，通过喷雾造粒技术制备了复合粉体，并利用大气等离子喷涂技术制备了复合涂层，尽管YSZ系列涂层具有优异的抗高温氧化性能，但其存在与底层涂层结合力不够高、应力匹配性差的问题。因此，开展高温梯度可磨耗涂层设计及评价技术研究，对提高可磨耗涂层性能并延长服役寿命具有重要意义14-15。1涂层制备工艺及方法1.1粉末成分设计为实现可磨耗涂层与环境障涂层之间形成梯度结 构，通 过 在 Sc2O3-Y2O3-ZrO2基 粉 末 中 调 整Yb2SiO5粉末含量，以使 Sc2O3-Y2O3-ZrO2基可磨耗涂层与环境障涂层中的 Yb2SiO5层形成梯度结构。粉末设计成分列于表 1，其中 CaF2起润滑作用、PHB起到造孔作用。按照配比，利用三维混粉器混粉30 min，以保证各组分粉末混合均匀，利用超声真空筛进行粉末筛选，粉末粒度范围为 1545 m。1.2涂层结构设计及制备方法涂层主要包含环境障涂层和可磨耗涂层，图 1为涂层结构示意图。从图 1 可见：环境障涂层包含Si-5%Yb2O3层、Yb2Si2O7层及 Yb2SiO5层，梯度可磨耗涂层包含三层结构，按照可磨耗涂层粉末设计比例，从下到上 Yb2SiO5含量逐渐降低，从而实现梯度结构；非梯度可磨耗涂层为单一的可磨耗粉末构成，其作为对比，以评价梯度涂层的结合强度、抗热冲击等力学性能。分别采用中国航空制造技术研究院自主研发的ZDP-1700 型真空等离子喷涂设备及 APS3000 型大气等离子喷涂设备制备环境障涂层和可磨耗涂层，喷涂工艺参数列于表 2。喷涂完毕后，在 500 马弗炉内保温 8 h以充分去除聚苯酯。表 1可磨耗涂层粉末成分设计Table 1Materials design of the abradable coatings粉末1#2#3#含量 w/%Sc2O3-Y2O3-ZrO28254.727.3CaF2642PHB1282Yb2SiO5033.366.7（a）梯度可磨耗涂层；（b）非梯度可磨耗涂层。（a）gradient abradable coating；（b）non-gradient abradable coating.图 1涂层结构示意图Figure 1Diagrams of coating structures表 2喷涂工艺参数Table 2Parameters of spraying涂层环境障涂层可磨耗涂层Si-5%Yb2O3Yb2Si2O7Yb2SiO53#可磨耗2#可磨耗1#可磨耗功率/kW343939383837电流/A530610610600600580喷涂距离/mm352525202020送粉速度/(gmin1)202020303030522靖建农等：SiCf/SiC复材表面 Sc2O3-Y2O3-ZrO2基梯度可磨耗涂层设计及性能研究1.3涂层考核及表征方法采用勤合科技生产的航空发动机热力化极端环境静态模拟与测试装置开展热冲击试验，为真实反映可磨耗涂层服役过程，设置如图 2 所示的热冲击过程。其中，最高温度（1 25050）、保温时间 2 s，燃料为丙烷-氧气气体，设备可同时满足两个试样进行试验并分别记录热冲击次数，每组试样采用两个平行试样，观测涂层脱落情况。利用扫描电镜（ZEISS SUPRA 55 Sapphire）观察涂层微观组织，并利用能谱分析仪进行元素分析。利用金相显微镜（Leica DMI5000M）测量涂层的孔隙率，测试依据为 GB/T 13298-2015 金属显微组织检 验 方 法。利 用 X 射 线 衍 射 仪（BRUKER D8 ADVANC）表征涂层物相，试验靶材为 Cu 靶、角度扫描范围为 2090、扫描步幅为 10 min1。按照HB 547691 热喷涂涂层结合强度试验方法，制备 结 合 强 度 试 样，并 利 用 电 子 万 能 材 料 试 验 机（LE5105）测量涂层结合强度，每组试样采用 5 个平行试样，并取平均值作为测试结果。2结果与讨论2.1涂层微观组织表征及分析梯度涂层微观组织如图 3所示。从图 3可见：梯度 涂 层 共 包 含 6 层 结 构，其 中 Si-5%Yb2O3层、Yb2Si2O7层和 Yb2SiO5层共同构成了环境障涂层体系，环境障涂层厚度约为 0.6 mm，涂层内部组织均匀、结构致密，可保护 SiCf/SiC复材免受水氧腐蚀侵害；Si-5%Yb2O3粘结层充分填充于 SiCf/SiC 基体沟槽内部，并与界面结合良好；Yb2Si2O7及 Yb2SiO5层由于元素组成一样，扫描电镜下 2种涂层颜色相近，但 Yb2Si2O7涂层整体偏暗灰色；最外层的可磨耗涂层疏松多孔，厚度约为 2 mm，受 Yb2SiO5含量的影响，3种不同 Yb2SiO5含量可使磨耗涂层在倍数较高的扫描电镜下呈现不同的颜色，即 Yb2SiO5含量越高涂层颜色越白。图 4为图 3中直线 A 及区域 B、C、D 的元素分析结果。从图 4可以看出：底层成分主要为 Si元素，而O含量几乎为零，说明 Si在喷涂过程中未发生氧化，真空喷涂起到避免粉末氧化的作用；在区域 B、C、D中，Yb元素含量分别为 67.5%、30.8%和 0%，说明Yb2SiO5粉末在喷涂过程中充分混合于可磨耗涂层粉末中起到了梯度作用；3 个区域中均发现 Ca 和 F元素，说明 CaF2在喷涂过程中没有发生烧损，可磨耗涂层喷涂工艺设计合理。图 2涂层热冲击试验Figure 2Thermal shock testing图 3梯度涂层微观组织结构Figure 3Microstructures of the gradient coating523材料研究与应用 2023年 第 17 卷 第 3 期2.2涂层孔隙度及洛氏硬度分析梯度可磨耗涂层及非梯度可磨耗涂层的孔隙度及洛氏硬度（HR45Y）分别列于表 3 和表 4。由表 3可知，2 种可磨耗涂层均呈现疏松多孔的状态，受Yb2SiO5粉末影响，梯度可磨耗涂层的平均孔隙度为34.4%，略低于非梯度可磨耗涂层。由表 4可知，洛氏硬度测试位置为涂层面层，因此梯度结构对涂层洛氏硬度影响不大，2 种可磨耗涂层洛氏硬度的平均值分别为 63.38和 62.9。2.3涂层结合强度分析梯度可磨耗涂层及非梯度可磨耗涂层的涂层结合强度列于表 5。由表 5可知，梯度可磨耗涂层试样的平均结合强度为 6.054 MPa、非梯度可磨耗试样的平均结合强度为 5.876 MPa，说明梯度涂层在一定程度上提高了涂层与界面的结合强度。2种涂层的断口形貌如图 5所示。从图 5可见：梯度可磨耗涂层试样断口位置在可磨耗涂层 1#和2#界面位置，并在边缘露出可磨耗涂层 3#；非梯度可磨耗涂层试样断口在可磨耗涂层 1#内部。由于可磨耗涂层 2#及 3#中含有较高含量的 Yb2SiO5成分，因此涂层的孔隙度较可磨耗涂层低，因此断口位置往往位于可磨耗涂层 1#内部或界面位置。表 4涂层洛氏硬度（HR45Y）Table 4Rockwell hardness values of different coatings（HR45Y）序号1#2#3#4#5#平均值洛氏硬度（HR45Y）梯度可磨耗涂层63.267.659.963.562.763.38非梯度可磨耗涂层66.954.261.768.962.862.9表 3涂层孔隙度Table 3Porosity levels of different coatings序号1#2#3#4#5#平均值孔隙度/%梯度可磨耗涂层313638333434.4非梯度可磨耗涂层353741383938图 4能谱分析结果Figure 4Analysis of EDS表 5涂层结合强度Table 5Bonding strengths of different coatings序号1#2#3#4#5#平均值结合强度/MPa梯度可磨耗涂层5.345.626.137.465.726.054非梯度可磨耗涂层4.375.696.215.796.325.676524靖建农等：SiCf/SiC复材表面 Sc2O3-Y2O3-ZrO2基梯度可磨耗涂层设计及性能研究2.4涂层抗热冲击性能梯度可磨耗涂层及非梯度可磨耗涂层的涂层热冲击过程如图 6所示。从图 6可以看出：相比于梯度可磨耗涂层，非梯度可磨耗涂层损伤较为严重，涂层损伤往往从涂层内部一个点开始，并逐渐向四周扩展，最终与边缘共同形成一个剥落区；试样在热冲击500 次后边缘已经存在较大面积的剥落，随着热冲击次数的增加涂层剥落面积进一步增大，剥落面积为梯度可磨耗涂层剥落面积的 6 倍。说明，梯度可磨耗涂层较非梯度可磨耗涂层抗高温热冲击性能更加优异。3结论对 SiCf/SiC 复 合 材 料 表 面 梯 度 Sc2O3-Y2O3-ZrO2基可磨耗涂层的微观组织进行了研究，并将其与非梯度 Sc2O3-Y2O3-ZrO2基可磨耗涂层进行了性能对比。（1）真空等离子喷涂涂层内部组织均匀、结构致密，可保护 SiCf/SiC 复材免受水氧腐蚀侵害。大气等离子喷涂可磨耗涂层疏松多孔，梯度可磨耗涂层中 Yb2SiO5含量越高，涂层微观组织的颜色越白。（2）梯度结构在一定程度上提高了可磨耗涂层结合强度，梯度可磨耗涂层试样的平均结合强度为6.054 MPa，非梯度可磨耗试样的平均结合强度为5.676 MPa。（3）梯度结构可提高涂层的抗热冲击性能，在（1 25050）热冲击 1 000 次时，非梯度可磨耗涂层试样剥落面积为梯度可磨耗涂层剥落面积的 6倍。参考文献：1 NASLAIN R.Design，preparation，and properties of non-oxide CMCs for application in engines and nuclear reactors：An overviewJ.Composites Science and Technology，2004，64（2）：155-170.2 SCHMIDT S，BEYER S，KNABE H，et al.Advanced ceramic matrix composite materials for current and future propulsion technology applicationsJ.Acta Astronautica，2004，55（3）：409-420.3 BANSAL N P，LAMON J.Ceramic matrix composites materials，modeling and technologyM.American：The American Ceramic Society，2014.4 邓畅光，张小锋，邓春明，等.使役环境涡轮叶片 EB-PVD热障涂层失效机制 J.材料研究与应用，2022，16（1）：19-28.5 OPILA E J.Oxidation and volatilization of silica formers in water vaporJ.Journal of the American Ceramic Society，2003，86（8）：1238-1248.6 HASEGAWA A，KOHYAMA A，JONES R H，et 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基材料高温封严涂层的研制 J.航空材料学报，2008，28（4）：56-59.14 戴赫，汪礼敏，张佳萍，等.新型高温隔热可磨耗封严 涂 层 研 究 及 展 望J.材 料 导 报，2008，22（7）：18-21.15 PORTINHA A，TEIXEIRA V，CARNEIRO J，et al.Characterization of thermal barrier coatings with a gradient in porosity J.Surface&Coatings Technology，2005，195（2-3）：245-251.Design and Evaluation of Sc2O3-Y2O3-ZrO2 Based Abradable Coatings on SiCf/SiC CompositesJING Jiannong，ZHANG Le，LI Qilian，WANG Chun，LI Shuqing（Science and Technology on Power Beam Processes Laboratory/Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Advanced Surface Engineering，AVIC Manufacturing Technology Institute，Beijing 100024，China）Abstract：SiCf/SiC ceramic matrix composites are crucial materials for the next-generation aero-engines，and their surface coatings play a vital role in protecting them.are the key technologies for protecting SiCf/SiC ceramic matrix composites.However，there are challenges related to insufficient bonding force and poor stress matching between Sc2O3-Y2O3-ZrO2-based abradable coating and EBC coating.To address these issues，this study aimed to design，prepare and assess a Sc2O3-Y2O3-ZrO2-based gradient abradable coating.The results of the research indicate that the bonding strength of the gradient abradable coating is 6.7%higher than that of the non-gradient abradable coating.Moreover，when the gradient abradable coating is experienced 1000 times thermal shocks at（1 25050），the peeling area was only 1/6 of the non-gradient abradable coating.These findings suggest that the gradient abradable coating could be a potential solution for enhancing the protective capabilities of SiCf/SiC ceramic matrix composites.Keywords：SiCf/SiC composites；gradient abradable coating；bonding strength；thermal shock（学术编辑：孙文）526