SiCf / SiC复合材料高温水氧腐蚀性能研究-天津中环电炉股份有限公司

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SiCf / SiC复合材料高温水氧腐蚀性能研究

沈阳黎明航空发动机有限责任公司技术中心团队在期刊《纤维复合材料》上发表了题为“SiCf / SiC复合材料高温水氧腐蚀性能研究”的论文。系统研究了SiCf/SiC陶瓷基复合材料在模拟航空发动机高温含水汽环境下的腐蚀行为与性能退化机理。

2026-06-26

研究背景

随着航空发动机向高推重比方向发展，涡轮前燃气温度不断提高，对热端部件材料的高温强度、抗腐蚀性及抗氧化性能提出了更高要求。连续SiC纤维增韧SiC陶瓷基复合材料（SiCf/SiC）因具有低密度、优异的高温力学性能和抗氧化性能，被视为高温合金的有力替代材料，有望应用于燃烧室火焰筒、导向器叶片、涡轮叶片等热端部件。然而，在发动机实际工作环境下，高温高速燃气中不仅含有氧气，还含有体积分数为5%~10%的水汽；水汽会与SiC被动氧化生成的致密SiO₂膜反应生成挥发性产物（如Si(OH)₄），从而加速材料的腐蚀退化。尽管已有大量研究针对不同形式SiC的氧化行为，但引入SiC纤维后，复合材料的氧化行为明显不同于块体SiC陶瓷，仍需深入理解SiCf/SiC复合材料在高温水氧环境下的腐蚀退化机理，以推动其在先进航空发动机中的工程应用。

研究方法

1.样品材料：CVI-PIP复合工艺制备SiC基体

2.水氧腐蚀实验

◆ 气氛环境：1300℃，50%H₂O-50%O₂的混合气体环境

◆ 腐蚀时间：120小时

3.表征实验结果

1)相成分变化

◆ 腐蚀前：仅有SiC衍射峰

◆ 腐蚀后：SiC峰减弱，α-SiO₂峰增强，说明SiC氧化。

2)质量变化

◆ 整个过程中质量持续增加，因为SiC氧化生成SiO₂，体积膨胀。

3) 微观结构变化

◆ PyC界面层优先被氧化，形成气体产物(CO、CO₂)，留下孔隙通道。

◆ 水汽使生成的SiO₂层变得疏松多孔，不再是致密保护层。

◆ 120小时后，表面层明显剥离脱落。

4) 力学性能衰减

◆ 腐蚀25小时：强度保留率 60%

◆ 腐蚀60小时：强度保留率 15%

◆ 60小时后：强度和模量趋于稳定，材料呈脆性断裂。

研究结果

PyC界面层是腐蚀的“弱点”，其氧化为气体产物是性能退化的关键起点；腐蚀超过60小时后，复合材料强度和模量趋于稳定，但已严重脆化。

中环电炉设备

天津中环推出高温静态/高速水氧腐蚀测试系列系统，利用实验室测试方法,准确模拟涡轮发动机工作环境的高温、高水蒸气分压和水蒸气速度，针对材料的热腐蚀、水蒸气氧化腐蚀进行循环测试，以正确评估材料的热化学稳定性。该设备由进气控制单元、液体精确控制进液量单元、加热蒸发器控制水的均匀汽化和气体混合、伴热管路、加热反应器等组件构成。主要用于:各种功能陶瓷，结构陶瓷和陶瓷基复合材料，超高温合金材料，高温热障涂层等领域。