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SiCf?/?SiC復合材料高溫水氧腐蝕性能研究

沈陽黎明航空發動機有限責任公司技術中心團隊在期刊《纖維復合材料》上發表了題為“SiCf?/?SiC復合材料高溫水氧腐蝕性能研究”的論文。系統研究了SiCf/SiC陶瓷基復合材料在模擬航空發動機高溫含水汽環境下的腐蝕行為與性能退化機理。

2026-06-26

沈陽黎明航空發動機有限責任公司技術中心團隊在期刊《纖維復合材料》上發表了題為“SiCf / SiC復合材料高溫水氧腐蝕性能研究”的論文。系統研究了SiCf/SiC陶瓷基復合材料在模擬航空發動機高溫含水汽環境下的腐蝕行為與性能退化機理。

研究背景

隨著航空發動機向高推重比方向發展，渦輪前燃氣溫度不斷提高，對熱端部件材料的高溫強度、抗腐蝕性及抗氧化性能提出了更高要求。連續SiC纖維增韌SiC陶瓷基復合材料（SiCf/SiC）因具有低密度、優異的高溫力學性能和抗氧化性能，被視為高溫合金的有力替代材料，有望應用于燃燒室火焰筒、導向器葉片、渦輪葉片等熱端部件。然而，在發動機實際工作環境下，高溫高速燃氣中不僅含有氧氣，還含有體積分數為5%~10%的水汽；水汽會與SiC被動氧化生成的致密SiO?膜反應生成揮發性產物（如Si(OH)?），從而加速材料的腐蝕退化。盡管已有大量研究針對不同形式SiC的氧化行為，但引入SiC纖維后，復合材料的氧化行為明顯不同于塊體SiC陶瓷，仍需深入理解SiCf/SiC復合材料在高溫水氧環境下的腐蝕退化機理，以推動其在先進航空發動機中的工程應用。

研究方法

1.樣品材料：CVI-PIP復合工藝制備SiC基體

2.水氧腐蝕實驗

◆?氣氛環境：1300℃，50%H?O-50%O?的混合氣體環境

◆?腐蝕時間：120小時

3.表征實驗結果

1)相成分變化

◆?腐蝕前：僅有SiC衍射峰

◆?腐蝕后：SiC峰減弱，α-SiO?峰增強，說明SiC氧化。

2)質量變化

◆?整個過程中質量持續增加，因為SiC氧化生成SiO?，體積膨脹。

3) ?微觀結構變化

◆?PyC界面層優先被氧化，形成氣體產物(CO、CO?)，留下孔隙通道。

◆?水汽使生成的SiO?層變得疏松多孔，不再是致密保護層。

◆?120小時后，表面層明顯剝離脫落。

4) ?力學性能衰減

◆?腐蝕25小時：強度保留率?60%

◆?腐蝕60小時：強度保留率?15%

◆?60小時后：強度和模量趨于穩定，材料呈脆性斷裂。

研究結果

PyC界面層是腐蝕的“弱點”，其氧化為氣體產物是性能退化的關鍵起點；腐蝕超過60小時后，復合材料強度和模量趨于穩定，但已嚴重脆化。

中環電爐設備

天津中環推出高溫靜態/高速水氧腐蝕測試系列系統，利用實驗室測試方法,準確模擬渦輪發動機工作環境的高溫、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測試，以正確評估材料的熱化學穩定性。該設備由進氣控制單元、液體精確控制進液量單元、加熱蒸發器控制水的均勻汽化和氣體混合、伴熱管路、加熱反應器等組件構成。主要用于:各種功能陶瓷，結構陶瓷和陶瓷基復合材料，超高溫合金材料，高溫熱障涂層等領域。