复合阻挡涂层对SiC/Ti基复合材料界面反应的调控研究

Interface reaction is always one of the important factors that limits the performance of titanium matrix composites. Controlling of the interface reaction and optimizing the interface structure are the key points to produce high-performance titanium matrix composites. The barrier coating of SiC fiber for titanium matrix composites can slow down the interface reaction, and is an effective way to control the interface reaction. Researches reveal that complex barrier coatings show excellent ability in controlling the interface reaction, especially the coating system that consisting of an inert coating and a carbon coating which could combine the advantages of both types of the coatings. But now, the researches on the interface reaction for complex barrier coatings mainly focus on the variation of interface after long-time heat treatment, and the mechanism of the interface reaction at the initial stage need to be deeply understood. Based on the analysis of diffusion mechanism of different stages of interface reaction, we design experiments which take thickness, crystal structure, crystallographic orientation of the inert layer and types of matrix alloy into account. This program will disscuss the relationship between diffusion behaviors and interface reactions at different stages, and reveal the course of interface reaction. The control mechanism of interface reaction for complex barrier coatings will be investigated, and a diffusion model for the multi-interface system of complex barrier coatings will be founded. Our work will promote the understanding of control mechanism of interface reaction, and develop the design of interface structure for high-performence TMCs.

界面反应一直是制约钛基复合材料性能的主要因素之一，有效调控界面反应，形成最佳界面结构，是制备高性能钛基复合材料的关键。在纤维表面沉积阻挡涂层能够有效缓解界面反应，是调控界面反应的有力手段。研究表明，复合阻挡涂层具有优异的调控能力，特别是C/惰性涂层组合的复合阻挡涂层系统，受到了人们广泛关注。但是，目前对复合阻挡涂层界面反应的研究主要集中在长时间热处理后界面的变化，对于界面反应初期阻挡涂层在界面反应中的调控机制还有待深入探讨。本项目在理论分析C/惰性涂层/Ti系统的界面反应不同阶段主要扩散机制的基础上，设计了综合考虑惰性涂层晶体结构、晶格取向、厚度和基体类型等各因素的实验方案，研究界面反应的微观机理，揭示扩散行为在界面反应各阶段的作用，系统研究复合阻挡涂层对界面反应的调控机制，建立复合阻挡涂层的扩散模型，为高性能钛基复合材料的界面优化设计奠定理论基础。

SiC纤维增强钛基复合材料能够应用于航空发动机的高温部件，已经受到了国内外广泛关注。可是，由于其在制备和服役过程中会在纤维/基体界面发生化学反应，使其应用受到限制。大量研究表明在纤维表面沉积阻挡涂层是改善纤维增强钛基复合材料热稳定性的有效途径。本项目主要研究由C/惰性涂层组成的复合阻挡涂层，这种复合型的阻挡涂层结合了惰性涂层与消耗性涂层的优点，具有优异的界面反应调控能力。本项目主要研究复合阻挡涂层在SiC纤维增强钛基复合材料界面反应初始阶段的作用机理，揭示扩散行为在界面反应各阶段的作用，分析复合阻挡涂层失效的原因。通过改变温度、涂层材料和厚度、基体材料等方法研究复合阻挡涂层对界面反应的调控。.本项目研究得到C/ La2Zr2O7/Ti系统的界面反应的微观机理：持续高温环境使得La2Zr2O7涂层对C元素扩散的抑制作用减弱，C元素穿透惰性涂层，首先在La2Zr2O7/Ti界面处发生反应，生成脆性物质TiC。La2Zr2O7阻隔层受到界面反应的影响，涂层结构逐渐被破坏，使得La2Zr2O7对Ti元素扩散的抑制作用失效，在La2Zr2O7/Ti的界面出现了界面反应。最终，两边的反应层连接在一起，而受到破坏的La2Zr2O7涂层分布其间。.研究发现了一种纤维增强钛基复合材料前驱体的制备方法，并获批发明专利。该发明使用成本低廉的锆酸镧作为阻挡层，能够有效地保护SiC纤维，采用该方法制备的纤维增强钛基复合材料前驱体表现出良好的界面性能。另外，针对钛铝合金作为基体的复合材料，采用了新型BaZrO3作为阻隔层，应用于纤维增强钛铝基复合材料前驱体的制备过程，已申报相关专利。.我们在研究SiC/Ti的界面反应的过程中，成功制备出面心立方结构的Ti薄膜。通过透射电镜HRTEM观察，我们得到了面心立方钛薄膜的相转变机制，给出了面心立方相转变为六方α相的临界厚度范围。该研究首次通过实验给出了钛薄膜相转变过程的证据，为钛的相结构基础研究提供了重要参考数据。.