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復合材料的制備及其1500℃耐水氧腐蝕性能

西北工業大學超高溫結構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》上發表了論文。主要研究了SiC基復合材料在1500℃高溫水氧環境下的耐腐蝕性能。

2026-03-13

DOI：10.1016/j.jmrt.2023.04.150

西北工業大學超高溫結構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℃高溫水氧環境下的耐腐蝕性能。

研究背景

隨著航空航天的發展，航空發動機熱端部件材料需要再高溫和高速水氧環境下仍保持優異的力學性能和耐腐蝕性，而傳統的鎳基合金無法滿足苛刻的高溫要求。開發一種新型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。根據公式計算質量變化量 △m。

腐蝕機理與保護機制

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

2.Y改性SiC_w/SiC-Si-Y：基體中YSi₂在腐蝕環境中原位氧化生成Y₂SiO₅致密保護層。一直SiO₂揮發，減少質量損失，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

研究結果

開發了一種具有優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℃高溫水氧環境下的耐腐蝕性。

中環電爐設備

高溫靜態水氧腐蝕設備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。該設備由進氣控制系統、進液控制系統、均勻汽化裝置、伴熱管路及加熱反應器等部分組成。主要適用于高溫熱障涂層、復合材料，合金等領域。

設備特點：

·◆ 精準控制進液量

·◆ 液態水的均勻汽化和氣體混合

·◆ 載氣多量程可選：300ml/1000ml/3000ml（靜態）

·◆ 最高溫度可選：1200℃/1600℃

·◆ 可預設多組工藝，每組50段程序控制