摘要: 陶瓷基复合材料与环境障碍涂层组合(CMC-EBC)是目前航空航天领域最具应用前景的热结构材料体系。本文对CMC-EBC 失效机理与分析模型的研究进展进行综述。首先, 简要回顾了CMC-EBC材料体系的发展及主要制备工艺。然后, 综述了CMC-EBC在服役环境下的主要损伤模式与失效机理, 总结发现CMC预制体结构、孔洞缺陷和EBC内裂纹等损伤演化相互影响, 这种细观损伤模式的耦合是决定其寿命的关键因素之一, 但目前的机理研究主要集中于涂层本身性能及其受环境因素的影响, 缺乏对涂层和复合材料编制结构在损伤演化过程中协同效应的考虑。接下来, 详细分析了CMC-EBC的失效模拟与预测模型研究的历史与现状, 指出其中存在的问题, 包括环境因素建模方法和损伤耦合演化模拟技术。目前大部分工作致力于分别开发CMC和EBC的失效模型, 而对于CMC-EBC构件的失效预测应考虑其损伤演化与微观结构之间的相互耦合影响。最后, 对CMC-EBC材料体系研发与服役性能预测方法进行了展望, 认为CMC本体和EBC失效模式相互耦合, 开展结构功能一体化设计和分析是CMC-EBC构件研究的趋势。
如图1所示，越来越严苛的服役环境给航空发动机CMC构件提出了越来越高的要求，为保证其服役的安全性，EBC材料体系变得更加复杂，通常包含多层结构和多相组分。最新的T/EBC均为多层复合结构，其中多功能EBC可防止侵蚀和高温腐蚀，而TBC可减少热传导。考虑到TBC和EBC之间的机械和热膨胀失配以及某些多功能亚层和组分之间的化学不兼容性，为了确定适当的涂层组分，需要进行大量的尝试。选择在恶劣环境中具有高可靠性的T/EBC材料组分时，考虑机械和热膨胀以及与CMC之间的性能匹配非常重要。
图1 EBC材料体系发展历程
EBC概念自提出以来, 主要通过制备致密的涂层用以隔绝CMC和燃气环境。但是, EBC在承受热震、热循环等载荷作用后不可避免地会产生裂纹等损伤, 进而与环境介质发生各种物理化学作用, 损伤进一步演化发展会引起涂层失效、剥落, 最终导致CMC-EBC体系失效。如图2所示, EBC与环境介质相关的损伤机制主要有环境腐蚀、固体颗粒侵蚀和外物冲击损伤(FOD)等。
图2 EBC主要损伤机理示意图
当前大部分工作都致力于分别研究CMC和EBC的损伤演化。然而, CMC和EBC的损伤彼此影响, 甚至是耦合演化的。如图3所示, CMC在热机械载荷下会发生基体开裂和纤维失效, 同时在蒸汽的作用下EBC会发生开裂和腐蚀。随后, 复合材料和涂层中裂纹的传播可能会相互影响并发生合并。CMC的纤维预制体结构对EBC的应力分布和损伤模式也发挥了一定作用。同样, 涂层的性能也对CMC的失效过程具有重大影响, 比如在热循环后期, Si黏结层的残留物对CMC本体材料起着重要的保护作用。因此, 在分析CMC-EBC系统的失效机制时, 需要考虑涂层和复合材料编织结构在损伤演化过程中的协同效应。
图3 CMC和EBC主要损伤机理之间的耦合关系
先前大部分工作都致力于分别开发CMC和EBC的失效模型。然而, CMC本体和EBC涂层内部的损伤相互影响, 同时也会耦合演化。预测CMC-EBC构件失效的理想模型必须考虑涂层损伤和复合材料微观结构之间的相互影响, 但现有研究中, 这样的模型并不多。本课题组近期提出了一个数值模型, 用以研究涂层组分特性和复合材料预制体结构对CMC-EBC系统内部应力演化的耦合影响。如图4所示, 在有限元模型中考虑了EBC涂层各亚层和CMC编织结构的真实几何特征, 结果表明, 涂层组分的热力学特性和复合材料的编织结构参数均对应力分布有显著影响。
图4 考虑涂层特性和复合材料纤维编织结构的协同效应的CMC-EBC失效分析模型
为了综合考虑CMC和EBC损伤演化的耦合作用, 建立的CMC-EBC失效模型需要真实地体现纤维编织结构以及涂层的组成和微观特征。同样地, 在开展材料研发和工程设计时, 也需要将CMC和EBC视为一个功能整体, 进行一体化设计。如图5所示, 开展CMC-EBC构件设计和分析时, 既要根据结构的承载需求对CMC纤维编织结构进行精细化设计, 又要根据服役环境功能需求优选涂层材料, 还要根据复合材料与涂层组分之间的热匹配、化学相容性以及损伤耦合等因素开展综合分析和迭代优化。其中, 应该更加关注分析模型的建立, 采用精细化建模技术, 探究涂层结构和组成、复合材料纤维编织结构等对整个系统力学响应和失效过程的影响规律。
图5 CMC-EBC结构一体化设计思路
研究展望：
随着服役条件越来越严苛, 可供选用的航空航天热结构材料只有极少数高温陶瓷。CMC-EBC体系是当前最有应用前景的热结构材料之一, 在航空航天推进系统中更广泛地应用CMC-EBC体系, 能够减轻重量、提高燃料效率、延长使用寿命、增加设计灵活性和节约成本。但是这项技术目前仍存在诸多挑战, 其中关键挑战在于CMC与EBC微观结构及损伤机制的复杂性, 各种损伤机制之间的耦合,以及它们与服役环境之间的相互作用。通过对近年来的代表性研究进行梳理, 对CMC-EBC研究重点问题和发展趋势总结如下：
1) EBC的耐久性关系到SiC/SiC部件的使用寿命, 因此如何提高EBC 的耐久性一直是CMC研究的重要方向。限制EBC使用寿命的两种最重要失效机制是CMAS腐蚀和蒸汽氧化。蒸汽氧化导致形成TGO, 而CMAS与EBC的相互作用会造成热机械和热化学变化, 从而损害涂层的完整性。稀土盐类陶瓷是最新EBC体系的核心成分, 目前的研究方向主要包括将不同种类的稀土离子掺杂产生新的结构体系, 以改变其热力学性能; 或通过广泛的理论计算和性能测试来指导热力学性能的研究, 以提升涂层选材研发效率。为了适应日趋恶劣的服役环境,基于高熵陶瓷概念, 研发具有更优异抗CMAS腐蚀性能的新一代EBC是目前的重点工作。
2) EBC剥落一直是影响工程应用的瓶颈问题。涂层失效模式的影响因素众多, 包括内部原因(如复合涂层的层状结构、界面处微结构、气孔和微裂纹等)和外部原因(如CMAS腐蚀、热冲击、高温氧化和FOD等)。总的来看, 这些因素最终都是以裂纹的萌生和扩展形式表现出来, 包括界面分层和开裂裂纹, 及其相互作用和共同作用。为了准确预测EBC寿命, 建立动态裂纹扩展模型, 并综合考虑各种环境损伤对裂纹的影响, 是下一步模型研究的主要思路。
3) 为了改善CMC-EBC在燃气环境中的耐久性,大部分研究致力于优化制备工艺并获得燃气环境下这些组分的详细性能数据。到目前为止, CMC和EBC的失效分析仍然是一项具有挑战性的任务。对于CMC-EBC整体而言, 其失效分析需要综合考虑复合材料和涂层的损伤机制, 因为它们之间的损伤演变是相互耦合的。此外, 应该更加关注涂层结构、组分特性和复合材料纤维编织结构之间的相互影响。因此, 将CMC和EBC视为一个功能整体, 开展CMC-EBC一体化设计, 是未来先进高温结构材料研究的趋势。
引用格式：方光武, 谢浩元, 张华军, 高希光, 宋迎东.
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