采用化學(xué)氣相沉積和原位合成工藝在Cf/SiC 基體上制備了Si/3Al2O3·2SiO2/La2Zr2O7 新型環(huán)境障涂層(Environmental Barrier Coatings，EBC)，研究了EBC 涂層在1300 ℃的抗熱沖擊性能。結(jié)果表明，涂覆Si/3Al2O3·2SiO2/La2Zr2O7 涂層的Cf/SiC 試樣，在熱沖擊試驗進行到121 次時發(fā)生了過早剝落失效。試驗過程中，3Al2O3·2SiO2 中間層內(nèi)的Al 元素發(fā)生外擴散并在面層中發(fā)生反應(yīng)生成LaAlO3，La2Zr2O7 在1300 ℃高溫?zé)釠_擊環(huán)境下發(fā)生燒結(jié)和粉化，以及由于熱膨脹系數(shù)差異造成的EBC 涂層內(nèi)殘余應(yīng)力的產(chǎn)生均是導(dǎo)致EBC 涂層過早剝落失效的主要原因。

　　隨著現(xiàn)代航空工業(yè)的發(fā)展，飛機發(fā)動機的推重比越來越高，其渦輪前進口溫度也隨之提高，對材料的要求也越來越苛刻。目前發(fā)動機所用的熱結(jié)構(gòu)材料均為高溫合金，致使發(fā)動機的結(jié)構(gòu)效率低及復(fù)雜化，很難適應(yīng)新一代高推重比發(fā)動機苛刻的熱環(huán)境。與高溫合金相比，炭纖維增強碳化硅復(fù)合材料(Carbon Fiber Reinforced Silicon Carbide Composites，Cf /SiC)因具備耐高溫、低密度、高強度等優(yōu)點，是高推重比航空發(fā)動機熱端部件的理想材料。

　　在發(fā)動機高溫服役環(huán)境下，由于空氣中含有大量的水蒸氣，SiC 與空氣中的氧氣、SiC 與水蒸氣均發(fā)生反應(yīng)生成SiO2，SiO2 接著與水蒸氣發(fā)生反應(yīng)生成易于揮發(fā)的Si(OH)4 ，促使Cf/SiC 中的炭纖維暴露在空氣中，炭纖維與空氣中的氧氣又進一步發(fā)生反應(yīng)。如此循環(huán)，最終導(dǎo)致Cf /SiC 的性能急劇下降，期間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)如式(1)~(4)所示：

　　因此，為了延長Cf /SiC 在高推重比航空發(fā)動機苛刻工作環(huán)境下的使用壽命，真空技術(shù)網(wǎng)(http://smsksx.com/)認為在Cf/SiC 基體表面涂覆環(huán)境障涂層是一種有效的解決辦法。典型的Si/3Al2O3·2SiO2(莫來石)+BSAS(1-xBaO-xSrO-Al2O3-2SiO2，0≤x≤1)/BSAS 三層結(jié)構(gòu)環(huán)境障涂層已經(jīng)獲得應(yīng)用。為了追求更高的使用溫度，目前對于EBC 體系面層的研究方向主要集中在稀土硅酸鹽(RE2SiO5或RE2Si2O7，RE：稀土元素)或稀土鋯酸鹽(RE2Zr2O7，RE：稀土元素)上，其中La2Zr2O7 材料在溫度超過1300 ℃時相結(jié)構(gòu)穩(wěn)定， 同時其熱膨脹系數(shù)與3Al2O3·2SiO2、BSAS 等中間層材料較為接近，因此可以作為環(huán)境障涂層稀土鋯酸鹽面層的潛在候選材料之一。

　　目前，環(huán)境障涂層在國內(nèi)的研究剛起步，存在的主要問題是涂層的過早剝落失效問題。因此，研究其在高溫環(huán)境下的抗熱沖擊性能是非常必要的，也是保證環(huán)境障涂層可靠使用的關(guān)鍵因素。本研究采用化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapor Deposition，CVD) 技術(shù)在Cf/SiC基體上首先分別制備Si 和莫來石中間層，其次利用原位合成(In-situsynthesize)技術(shù)制備La2Zr2O7 面層，測試其在1300 ℃下的高溫抗熱沖擊性能，通過對涂層的相結(jié)構(gòu)、微觀組織和熱膨脹行為研究，探討環(huán)境障涂層在高溫環(huán)境下的可能失效機理。

3、結(jié)論

　　(1) 涂覆Si/3Al2O3·2SiO2/La2Zr2O7 環(huán)境障涂層的Cf /SiC 試樣在1300 ℃反復(fù)快速加熱- 冷卻的循環(huán)條件下，當熱沖擊試驗進行到121 次時試樣發(fā)生過早剝落失效;

　　(2) 在試驗過程中3Al2O3·2SiO2 中間層內(nèi)Al元素的向外擴散，并在面層中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成不穩(wěn)定的LaAlO3 新物相，造成中間層、面層的成分偏離化學(xué)計量比和相結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。同時，La2Zr2O7在1300 ℃發(fā)生局部燒結(jié)和粉化，引起體積收縮和面層內(nèi)孔隙增加均是導(dǎo)致EBC 涂層最終過早剝落失效的主要原因之一;

　　(3)由于熱膨脹系數(shù)的差異，涂層內(nèi)殘余應(yīng)力和張應(yīng)力釋放速率隨試驗時間的延長而增大，當應(yīng)力水平達到一定程度時易于引起涂層內(nèi)微觀裂紋的萌生和滋長，微觀裂紋的橋聯(lián)和大面積擴展將導(dǎo)致涂層的剝落失效。