1700℃碳/碳抗氧化涂层成分结构设计与长寿命服役稳定性研究

Carbon/carbon (C/C) composites are the preferred materials for high-temperature structural materials applied in aero-engine with high thrust-weight ratio at 1700 °C. However, the premise of C/C composites applied to aero-engine thermal structural materials is the breakthrough in coating technology, including long-life, high-temperature resistance and oxidation resistance properties. For the lack of compositional design theory, poor compatibility of multiphase heterogeneous interface and insufficient high-temperature stability of the coating higher than 1700 °C, in this project, a solution of combining the first principle calculation and finite element analysis with experiment is proposed to obtain coating composition system and microstructure design scheme for long-life service above 1700 °C. The relationship between phase composition of the coating, bonding state of heterogeneous interfaces, microstructure and the thermal stress distribution will be studied to realize uniform and controllable preparation of multiphase gradient coating. A relationship model between coating calculation design, preparation process, microstructure, oxidation resistance and scour resistance properties will be established. The evolution mechanism of coating microstructure and protective properties under thermal-force-oxygen coupling environment will be revealed. The regulation mechanism of in-situ formation process of oxide film on the coating surface and the fluid healing of defects will be clarified. A method for improving the long-life service stability of the coating will be obtained. The acquired methodology can provide theory and technical supports for the reliable application of C/C thermal structural composites for new generation aero-engine nozzle and plug cone.

碳/碳(C/C)复合材料是可用于高推比航空发动机1700℃高温结构件的首选材料，长寿命耐高温防氧化涂层技术的突破是C/C复合材料作为航空发动机热结构材料的前提。该项目针对C/C复合材料表面1700℃抗氧化涂层成分设计理论缺乏、多相异质界面相容性差、涂层高温稳定性不足等问题，提出采用第一性原理和有限元计算，结合工艺实验获得满足1700℃以上长寿命服役的涂层成分体系与微结构设计方案，研究涂层物相组成、多相异质界面结合状态与其微观形貌和热应力分布状态的关联，实现多相异质梯度复合涂层的均匀可控制备；建立涂层计算设计─制备工艺─微观结构─抗氧化抗冲刷性能之间的关系模型，揭示热力氧耦合环境下涂层微结构与防护性能演变机理，阐明涂层表面原位自生氧化膜形成过程与流动愈合缺陷的调控机制，获得提升涂层长寿命服役稳定性方法，为实现新一代航空发动机喷管、塞锥等C/C热结构件的可靠应用提供理论与技术支撑。

碳/碳(C/C)复合材料是可用于高推比航空发动机1700℃高温结构件的首选材料，长寿命耐高温防氧化涂层技术的突破是C/C复合材料作为航空发动机热结构材料的前提。本项目针对C/C复合材料表面1700℃抗氧化涂层成分设计理论缺乏、多相界面相容性差、涂层高温稳定性不足等问题，提出采用第一性原理计算结合工艺实验获得满足1700℃以上长寿命服役的涂层成分结构设计与长时防氧化机理研究。本项目完成了预期研究内容与目标，包括：1）1700℃长寿命抗氧化涂层成分与结构设计；2）长寿命抗氧化涂层制备工艺规律；3）界面优化设计与缺陷自修复特性；4）涂层表面原位自生氧化膜高温稳定性及其调控机制；5）抗氧化涂层服役过程微观结构与性能演变规律；6）热力氧耦合环境涂层长寿命服役稳定性与失效机理。.本项目通过第一性原理计算和工艺实验优化确立了耐1700℃长寿命抗氧化涂层成分体系，利用多元掺杂与多相镶嵌结构设计提升了玻璃氧化膜的阻氧能力，阐明了C/C复合材料表面构建1700℃抗氧化涂层的工艺规律和微结构调控机理，揭示了热力氧耦合环境下涂层自愈合和高温长时防氧化机理，获得了提升涂层长寿命服役稳定性方法，实现了陶瓷涂层在1700℃有氧环境下对C/C复合材料500小时以上的有效防护，为将其应用于航空发动机C/C复合材料热结构件的长寿命防氧化抗冲刷奠定理论基础。.项目理论研究发表SCI论文63篇，授权发明专利21项，项目负责人李贺军教授在2019年当选中国工程院院士和亚太材料科学院院士，2020年获教育部自然科学一等奖一项。该项目的顺利进行为实现新一代航空发动机喷管、塞锥等C/C热结构件的可靠应用提供理论与技术支撑。