[发明专利]模拟陶瓷基复合材料在高温燃气环境下烧蚀形貌的方法

说明书

本发明公开了一种模拟陶瓷基复合材料在高温燃气环境下烧蚀形貌的方法，本方法通过给定时间步长，基于燃气气体组分和试件表面温度分布，计算给定时间步长下试件表面氧化膜SiO₂增长速率和SiC退移速率，得到该时间步长下的试件的初始形貌并获得试件表面氧化膜SiO₂厚度，然后根据燃气流速求解时间步长下的试件的最终形貌，根据试件表面温度分布，获得试件固液交界面处的温度分布；燃气气体组分中的氧浓度，得到氧在固液交界面处的浓度分布；并经过多次给定时间步长，获得最终SiC_f/SiC复合材料烧蚀形貌。本发明综合考虑高温燃气流的气动力作用与热化学反应烧蚀的作用，耦合以上两种因素获得烧蚀结果，对烧蚀形貌做出更加精确的模拟。

技术领域

本发明涉及航空航天材料烧蚀的技术领域，尤其涉及模拟陶瓷基复合材料在高温燃气环境下烧蚀形貌的方法。

背景技术

连续碳化硅纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料(Continuous silicon carbidefiber reinforced silicon carbide composites，简称SiC_f/SiC)不仅具有低密度、高比强度、高比模量、高韧性等性能，同时具有优异的高温力学性能及高温稳定性，成为航空发动机及航天高温结构部件的候选材料之一。在高速燃气流作用下，材料表面温度迅速升高，燃气来流中包含着氧化性气体，在高温环境下，与材料表面发生复杂化学反应，发生热化学反应烧蚀。同时，烧蚀产物二氧化硅在高温下呈熔融态，氧气在二氧化硅中的扩散系数极低，二氧化硅的产生能够有效降低材料表面烧蚀速率。但是，高速气流的存在会影响二氧化硅在试件表面的分布，从而对烧蚀速率有着重要影响，使得烧蚀过程中的力学性能预测变得困难。因此，研究SiC_f/SiC复合材料在高温燃气烧蚀环境下的形貌分布有着重要的意义。

由于SiC_f/SiC是一种新型结构材料,国内外还没有高效的方法能较为准确地预测烧蚀，也未见公开的发明专利。张杰等(张杰,魏鑫,郑力铭，等.C/SiC复合材料在空气中的氧化烧蚀.推进技术,2008(04):488-493.)建立了SiC平板在燃气冲刷条件下的一维烧蚀模型，模型中考虑了氧气的传质和材料内部瞬态热响应。在求解域上划分网格，氧化膜的增长速率采用差分离散，内部热响应部分采用全隐格式。同时分析控制材料烧蚀的两种因素：化学反应动力控制和扩散控制机制。张红军等(张红军,康宏琳.C/SiC材料主被动氧化烧蚀机理及计算方法研究.宇航学报,2019,40(02):223-230.)基于热化学平衡方法建立了任意比例C/SiC材料的主被动氧化烧蚀模型，开展了C/SiC材料氧化烧蚀机理的计算研究，并基于典型材料烧蚀试验结果进行了充分验证，理论计算结果与实验结果符合较好，并探讨了不同条件下C/SiC材料的氧化烧蚀机理及其对材料烧蚀特性的影响规律。但上述模型的建立和烧蚀形貌的模拟均未考虑燃气流与液态层的相互作用对烧蚀速率的影响。当前,如何准确模拟陶瓷基复合材料在高温燃气烧蚀环境下的形貌是本技术领域重要而难以解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供模拟陶瓷基复合材料在高温燃气环境下烧蚀形貌的方法，为SiC_f/SiC结构件在高温燃气环境下的力学性能预测奠定基础。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

模拟陶瓷基复合材料在高温燃气环境下烧蚀形貌的方法，其中：包括以下步骤：

步骤一：通过燃气对陶瓷基复合材料试件进行烧蚀实验，给定燃气燃烧燃气比例，确定火焰温度大小，燃气流速和气体组分含量；

步骤二：在实验过程中持续对试件表面温度进行采样，获得试件表面温度分布；