论文题目：陶瓷基复合材料环境屏障涂层的耐久性设计与优化

答辩人：陆永洪

学科专业：材料学

答辩时间：2018年11月12日晚上20：00

答辩地点：友谊校区公字楼328会议室

指导教师：王一光

一、学位论文简介

连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料（CMC-SiC）具有高比强度、高比模量、抗氧化和低密度等特点，已逐渐应用于航空燃气涡轮发动机的热端部件。CMC-SiC在航空燃气涡轮发动机中的应用主要面临着应力氧化以及长时间服役问题。通过对CMC-SiC的纤维、界面以及基体进行自愈合设计，可有效解决CMC-SiC的应力氧化问题。目前，为了解决CMC-SiC在燃气环境中长时间服役的问题，通常在CMC-SiC构件表面制备环境屏障涂层（EBCs）。EBCs涂层可有效减缓燃气环境对CMC-SiC构件的腐蚀，进而提高CMC-SiC构件在航空燃气涡轮发动机的耐久性。

为了提高EBCs涂层的耐久性，国外发展了莫来石、钡锶铝硅氧、稀土硅酸盐等EBCs材料，并对不同EBCs涂层体系的耐久性进行了大量的考核验证，积累了详尽的研究数据，系统地发展了EBCs涂层的耐久性设计与优化方法，但对国内进行了严格的技术封锁。为了实现EBCs涂层耐久性的设计与优化，本文研究了EBCs涂层的失效机理以及SiO₂氧化层的形成与生长机理。基于上述结果，遴选了长耐久性EBCs涂层体系的最优面层材料，研究了面层厚度对其耐久性的影响规律。此外，基于高熵材料的设计理念，本文开展了稀土双硅酸盐的高熵化研究，探讨了高熵稀土双硅酸盐作为EBCs涂层材料的可行性，为EBCs涂层的耐久性设计与优化奠定了基础。本文主要的研究内容与结果如下：

（1）研究了带RE₂Si₂O₇(RE=Y、Yb)涂层的C_f/SiC试样在静态模拟燃气环境中（1250℃，50%H₂O-50%O₂，1atm）的失效行为，揭示了SiO₂氧化层是导致RE₂Si₂O₇涂层失效的关键性因素。结果表明，带RE₂Si₂O₇涂层的C_f/SiC试样经水氧腐蚀后，在RE₂Si₂O₇涂层与粘结层之间有SiO₂氧化层生成。该SiO₂氧化层随着腐蚀时间的增加而逐渐生长，且满足抛物线规律。当SiO₂氧化层生长至4 ~ 5μm时，在SiO₂氧化层与SiC粘结层界面有裂纹产生，该裂纹沿着此界面向四周扩展，并最终引起RE₂Si₂O₇涂层的剥落与失效。初步的应力计算表明，SiC粘结层的应力随着水氧腐蚀时间的增加而逐渐积累，并在SiO₂氧化层与SiC粘结层界面附近处的应力最大。当该应力大于SiO₂氧化层与SiC粘结层之间的结合强度时，导致在SiO₂氧化层与SiC粘结层界面形成裂纹。

（2）系统研究了Y₂Si₂O₇-BSAS、Yb₂Si₂O₇以及BSAS涂层底部SiO₂氧化层在不同温度、不同水氧比例的静态模拟燃气环境的生长行为。当环境中的水分压低于50%时，引起SiO₂氧化层形成与生长的主要氧化介质为氧离子，氧离子在SiO₂氧化层中的扩散控制着SiO₂氧化层的生长，环境中的水则会加速SiC粘结层的氧化；当环境中的水分压接近1时，引起SiO₂氧化层生长的主要氧化介质为H₂O。

（3）表征了Lu₂Si₂O₇、Sc₂Si₂O₇涂层底部SiO₂氧化层在静态模拟燃气环境（50%H₂O-50%O₂、1250^oC、1atm）中抛物线速率常数（k_p）。通过对比不同EBCs涂层底部SiO₂氧化层的k_p值，发现Y₂Si₂O₇-BSAS涂层底部SiO₂氧化层的k_p值最低。通过研究RE₂Si₂O₇(RE=Y、Yb、Lu、Sc)中Y-O键以及Si-O键的键长，认为Y₂Si₂O₇具有最低的氧扩散系数。基于上述结果，Y₂Si₂O₇可用于长耐久性EBCs涂层体系的面层材料。表征了不同厚度Y₂Si₂O₇-BSAS涂层底部SiO₂氧化层的k_p值，结果表明，随着厚度的增加，SiO₂氧化层的k_p值逐渐下降。

（4）采用Sol-Gel法合成了高熵稀土双硅酸盐(Yb_0.2Y_0.2Lu_0.2Sc_0.2Gd_0.2)₂Si₂O₇（(5RE_0.2)Si₂O₇）。所合成的(5RE_0.2)Si₂O₇形成了单一的物相，且Yb、Y、Sc、Lu以及Gd稀土元素在(5RE_0.2)Si₂O₇中分布十分均匀。(5RE_0.2)Si₂O₇的CTE约为4 ~ 6ppm/K，在高温水氧环境中具有十分优异的相稳定性，比RE₂Si₂O₇(RE=Yb、Y、Sc、Lu)具有更优异的抗水氧腐蚀性能。采用浆料法在C_f/SiC表面制备了(5RE_0.2)Si₂O₇涂层，并在静态模拟燃气环境（50%H₂O-50%O₂、1250^oC、1atm）对其进行了水氧腐蚀考核，结果表明，(5RE_0.2)Si₂O₇涂层在静态模拟燃气环境中能够有效地保护C_f/SiC基体。

二、学术成果

[1]Yonghong Lu, Lei Luo, Chao Zhu, Yiguang Wang. Failure mechanism associated with the thermally grown silica scale in environmental barrier coated C/SiC composites. Journal of the American Ceramic Society,2016,99(8):2713-2719. (SCI: 000386573200024).

[2]Yonghong Lu, Yiguang Wang. Formation and growth of silica layer beneath environmental barrier coatings under water-vapor environment. Journal of Alloys and Compounds,2018,739:817-826.(SCI:000425491800098).  

[3]Yonghong Lu, Yiguang Wang. Effects of oxygen and water vapor on the formation and growth of silica layer beneath barium strontium aluminosilicate coatings. Ceramics International, 2018, 44(7): 8570-8575.(SCI:00042897 4300160).

[4]Yonghong Lu,Yejie Cao,Xing Zhao. Optimal Rare-Earth Disilicates as Top Coat in Multilayer Environmental Barrier Coatings. Journal of Alloys and Compounds, 2018, 769:1026-1033.(EI: 20183405722720).

[5]王一光，陆永洪，成来飞，张立同。一种环境屏障涂层EBC寿命预测的方法。授权公告号: CN103558144B。