SiCf/Ni3Al复合材料扩散障复合涂层的构筑及界面改性机理研究

Continuous SiC fiber reinforced nickel matrix composites (SiCf/Ni), identified as promising high-temperature and high-strength structural materials, have great potential for applications in high thrust-weight ratio engines and hypersonic flight vehicles; however, terrible interfacial reaction and large difference of coefficient thermal expansion between SiC fiber and nickel alloy severely hinder the application of SiCf/Ni composites. Thus, we will choose inert Y2O3 and tough metal (Me) to construct Y2O3/Me nanomultilayers as the diffusion barrier coatings of the SiCf/Ni3Al composites. Y2O3 nanolayers would effectively inhibit interfacial reaction, while Me nanolayers could improve the toughness of coatings, release thermal residual stress and optimize the interfacial debond strength of SiCf/Ni3Al composites, simultaneously achieving interfacial reaction barrier and interface modifications. Y2O3/Me diffusion barrier coatings dominated interfacial diffusion behavior should be explored. The thickness of metal nanolayers dependent microdeformation mechanism, stress release mode and interface failure mode should also be clarified, obtaining the influence law of different diffusion barrier coatings on interface modifications at micro/nanoscale. The relationship among mechanical properties of SiCf/Ni3Al composites, Y2O3/Me diffusion barrier coatings, interfacial reaction, stress and interfacial debond strength of SiCf/Ni3Al composites should be built, which will help to fabricate SiCf/Ni3Al composites with excellent performance.

连续SiC纤维增强镍基复合材料（SiCf/Ni）作为理想的高温高强材料，在高推重比发动机和高超音速飞机器上表现出巨大的应用潜力。然而，SiC纤维与Ni合金之间剧烈的界面反应和大的热膨胀系数差严重阻碍了SiCf/Ni基复合材料的应用。本项目拟选用惰性Y2O3和韧性金属Me来构筑出SiCf/Ni3Al复合材料中的扩散障Y2O3/Me纳米多层涂层，通过Y2O3纳米层来阻挡界面反应而用Me纳米层改善涂层自身的韧性及释放复合材料的残余热应力和优化界面结合强度，同时实现抵抗界面反应和界面性能改性；研究Y2O3/Me扩散障纳米多层涂层支配的界面扩散行为；探明金属纳米层厚度依赖的微观形变机理、应力释放方式和界面失效方式，从微纳尺度下确定不同扩散障多层涂层对界面改性的影响规律；建立起复合材料力学性能-扩散障纳米多层涂层-界面反应-应力-界面结合强度之间的关系，指导制备出性能优异的SiCf/N3Al复合材料。

随着我国自主研制先进航空发动机和高超音速飞机器的快速发展，对材料提出了更加苛刻的要求—更强、更轻、更高服役温度。连续SiC纤维增强钛基复合材料与钛合金基体相比，既能大幅提高钛合金的强度又能提升其耐温能力，已被定型为高推重比发动机的核心关键新材料。由于对更高服役温度的追求，连续SiC纤维增强镍基复合材料（SiCf/Ni）成为理想的候选材料，在航空发动机、高超声速飞行器及航天运载装置热端主承力结构上展现出巨大的应用潜力。然而，SiC纤维与Ni合金之间在高温下存在剧烈的界面反应，成为SiCf/Ni基复合材料开发的拦路虎。本项目以构筑出能抵抗SiCf/Ni3Al复合材料中剧烈界面反应并能实现界面改性的扩散障涂层为目标，探究了基于高温稳定Y2O3的扩散障涂层的设计、构筑和性能精准调控及基于界面结构的改性机理，突破高性能增强纤维制备技术和纤维上纳米多层涂层的均匀涂覆技术，围绕高温下的界面问题，阐明扩散障涂层支配的界面扩散行为和界面失效行为，为复合材料中扩散障复合涂层的设计和制备提供理论依据和指导原则。研究取得如下进展：1. 揭示了氧空位对Y2O3薄膜相结构的调控机制，帅选出高温稳定的立方Y2O3相作为扩散障涂层的惰性层，构筑出Y2O3/Y和Y2O3/Al纳米多层涂层; 2. 解锁了支配SiC纤维力学性能的微纳结构信息，制备出3800GPa的W芯SiC纤维，确认了其服役温度在1200℃以下；3. 澄清了Y韧性层依赖的Y2O3/Y多层膜增韧机理：调制层间的共变形、层界面引起的裂纹偏转和Y层塑性形变产生的裂纹钝化和分叉；4. 优选出合适调制周期的Y2O3/Y和Y2O3/Al扩散障多层膜成功阻挡了界面反应，Y2O3/Y在高温下会发生界面退化而Y2O3/Al能维持多层结构；5. 针对难熔合金基体开发出Ti/TiN扩散障涂层，针对钛合金基体，提出C涂层取向调控的新策略；6.开展了纤维增强金属基复合材料头锥部件的试制；7.项目执行期间，在Nat. Commun.、Acta Mater.、J. Eur. Ceram. Soc. 等期刊上发表SCI论文24篇、获授权专利10项、培养硕士和博士研究生15名。