SiC/SiC-SiHfBCN超高温自愈合复合材料制备与耐水氧腐蚀性能调控

The ultra high temperature self-healing composites satisfied the demand of long-term stressed oxidation up to 1500℃ is one of critical factor to improve the performance of advanced aeroengine. in this project an original CVI plus PIOP method will be employed to prepare SiHfBCN ceramic under low temperature and low pressure through the gas-liquid-solid coupling densification, the SiHfBCN ceramic with both ultra high temperature self-healing capability and corrosion resistant ability will be obtained by the uniformity controlling of composition and microstructure. The dense multi-layer matrix of SiC/SiC-SiHfBCN will be achieved through infiltration characterization controlling and addtive maufacture ceramics, the matrix with both high matrix cracking stress and ultra high temperature self-healing capability will be got to improve the corrosion resistance of the composite. The control factors of the corrosion behaviors in wet oxygen environmental will be determined. Based on the studies of composite structure evolution and performance stability during preparation and service conditions, the project aims to break through the key scientific problem of “long life stability and performance optimization of high temperature material in aircraft engines”. The results of this project will contribute to the development of high performance aeroengine.

满足1500℃长时热力氧化需求的超高温自愈合复合材料是高性能航空发动机亟需的关键材料之一。本项目将利用独创的CVI结合PIOP方法实现SiHfBCN陶瓷的气液固耦合低温低压致密化，通过成分和微结构均匀性的纳米尺度控制，获得兼具超高温自愈合能力和耐水氧腐蚀能力的SiHfBCN陶瓷；利用CVI结合PIOP方法，通过浸渍特性控制和增材陶瓷化实现SiC/SiC-SiHfBCN多元多层基体的致密化，获得兼具高基体开裂应力和高温环境稳定性的基体，以提高复合材料的耐水氧腐蚀性能；确定复合材料在水氧腐蚀行为控制因素，以建立针对航空发动机环境的复合材料设计方法。本项目主要创新点是以先驱体热解产物为固体填料，以保证成分和微结构的纳米尺度均匀性。通过对制备和服役条件下复合材料结构演化与性能稳定性的研究，可解决 “航空发动机高温材料性能优化与长寿命使役稳定性”这一关键科学问题，支撑高性能航空发动机的研制。

针对现有自愈合SiC/SiC复合材料耐1500℃长时热力氧化性能不足，无法满足推重比15至20级航空发动机燃烧室和涡轮转子应用需求的问题，本项目开展了SiC/SiC-SiHfBCN超高温自愈合复合材料制备与耐水氧腐蚀性能调控研究。本项目主要开展了SiHfBCN纳米复相陶瓷层的微结构与性能调控方法，SiC/SiC-SiHfBCN复合材料的微结构与力学性能控制方法和SiC/SiC-SiHfBCN复合材料的水氧腐蚀行为表征与优化三个方面的研究。.本项目以CVI法制备的SiC/SiC复合材料为基础，利用CVI结合PIOP法将SiHfBCN纳米复相超高温自愈合陶瓷引入SiC基体中，突破了SiHfBCN陶瓷层和多元多层基体的多相耦合低压致密化方法，形成了致密SiC/SiC-SiHfBCN复合材料的制备方法。本课题组通过研究SiC/SiC-SiHfBCN复合材料在水氧环境中的氧化和应力氧化行为，确定了微结构、气氛、燃气流速和应力对微结构演变与性能演变的影响，形成了兼具高基体开裂应力、超高温自愈合能力和耐水氧腐蚀能力的复合材料的优化方法。本项目制备的SiC/SiC-SiHfBCN复合材料在1500℃水氧环境中80%基体开裂应力作用下的服役寿命达300h以上，其他关键性能指标亦居于国际领先地位。.本项目实现了SiC/SiC-SiHfBCN复合材料超高温自愈合与高承载能力的协同优化，有助于推动陶瓷基复合材料多元多相耦合致密化方法的发展，为新型超高温自愈合陶瓷基复合材料“工艺-微结构-性能”的协同优化提供了借鉴和参考；同时丰富了超高温自愈合SiC陶瓷基复合材料数据库，并将推动其由研发走向工程应用。.在项目执行期间，负责人累计发表高水平SCI论文10篇，被引43次，其中他引31次；申请并获授权国家发明专利1项；培养博士研究生3人，硕士研究生9人。项目团队参加国内国际学术会议3人次。