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航空燃气涡轮发动机新型涂层材料的氧化,硅化镱 (Yb-Si) 是一种很有前途的航空燃气涡轮发动机高温部分涂层材料
2021年07月26日    阅读量:105986    新闻来源:行业资讯在线 houshionline.com  |  投稿

广泛用于飞机的航空燃气涡轮发动机的某些部分经常达到 1,200 °C 以上的温度。毋庸置疑,在如此恶劣的环境中使用的任何材料都必须经久耐用并能胜任任务。由碳化硅 (SiC) 制成的陶瓷基复合材料最近作为燃气涡轮发动机的有希望的候选材料引起了人们的兴趣涂料在线coatingol.com


然而,这些材料需要一个耐热涂层来防止 SiC 的氧化和随后 SiO 2 的蒸发,这是一个导致材料体积减少的过程,因此会导致结构缺陷,如大裂纹或最顶部层剥落。


不幸的是,现有的涂层不能完全防止氧化为 SiO 2,因为氧气可以通过这些层中的微观裂缝或通过简单的扩散渗透。


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为了解决这个问题,一些科学家专注于使用硅化镱 (Yb-Si) 作为涂层材料,因为 Yb-Si 可以达到高熔点,并且它们的氧化物主要是 Yb-硅酸盐,它们作为氧化物层保持附着并且不会容易蒸发。然而,对于这些材料在空气或水蒸气环境中高温下发生的基本现象知之甚少。


在最近发表在《金属间化合物》杂志上的一项研究中,包括东京理科大学初级副教授井上亮、助理教授新井裕太郎和小乡康夫教授以及日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)的高级研究员青木拓哉在内的科学家团队设置了了解 Yb-Si 的氧化机制。他们进行了各种实验,以深入了解不同 Yb-Si 涂层在高温下在三种气氛下的氧化行为(和降解):空气、水蒸气和两者的混合物。


通过 X 射线衍射分析、能量色散光谱和扫描电子显微镜,科学家们能够准确地可视化和量化 Yb-Si 样品在热暴露试验前后的形态和成分。主要发现之一是 Yb 与 Si 的比率是决定材料氧化行为的主要因素;由于 Yb 在硅化物中的优先氧化,Yb 5 Si3 比 Yb 3 Si 5氧化得更多。此外,在更多富含水蒸气的气氛中,氧化物的量显着减少。


最重要的是,研究人员探索了镱含量影响 SiO 2形成的机制。“在蒸汽中加热两种硅化物后,我们在 Yb 5 Si 3 中发现了 SiO 2,而实际上 Si 仍然存在于 Yb 3 Si 5 中,”领导这项研究的 Inoue 博士评论道。“我们的分析表明,在 Yb 3 Si 5中 SiO 2 的生长受到抑制,因为 SiO 2 参与,并且是形成 Yb-硅酸盐的反应的限制因素,“他补充说。虽然导致形成各种 Yb-硅酸盐的确切中间反应尚未完全了解,但该团队提出了两个非常可能的反应这可能会通过未来的研究和更详细的表征技术得到澄清。


总体而言,这项研究为 Yb-Si 氧化过程中发生的事情提供了有意义的见解,这将有助于开发航空燃气涡轮发动机的保护涂层。“如果能够实现能够承受更恶劣环境的涂层,发动机部件将变得更加耐热,这自然会导致更高的发动机效率,”井上博士评论道。


希望涂层技术的进一步进步将降低航空运输成本和燃料消耗,使飞行更便宜,对环境的危害更小。


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