[发明专利]一种耐高温水蒸汽腐蚀的超高温陶瓷材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种耐高温水蒸汽腐蚀的超高温陶瓷材料及其制备方法和应用。耐高温水蒸汽腐蚀的超高温陶瓷材料由以体积百分含量计为70～81％的ZrB₂、4～6％的TiB₂和15～25％的SiC组成。所述制备方法为：将ZrB₂、TiB₂和SiC通过球磨混合均匀，得到混合料；将混合料进行热压烧结，然后经冷却，制得所述超高温陶瓷材料；热压烧结温度为1800～2000℃，热压烧结压力为25～35MPa，热压烧结时间为0.5～2h。本发明通过在超高温陶瓷材料中添加形核组元TiB₂对其进行改性，使得材料在高温氧化过程中能够形成TiSiO₄氧化层，改善了材料的SiO₂氧化层易与水蒸汽发生反应，从而烧蚀破坏的问题。

技术领域

本发明属于超高温陶瓷材料技术领域，尤其涉及一种耐高温水蒸汽腐蚀的超高温陶瓷材料及其制备方法和应用。

背景技术

发动机是各类航空、航天飞行器的核心部件，发动机的推重比、燃油经济性、可靠性是飞行器性能的决定性因素。随着飞行器技术的不断发展，对发动机推重比的要求不断提高，提高推重比主要的途径就是采用热值更高的燃料，提高发动机的燃烧室温度。推重比为15～20的发动机，燃烧室温度需要达到2000～2200℃。不断提高的温度，对发动机燃烧室的材料提出了更高的要求，且需要对高热值燃料燃烧所产生的水蒸汽有一定的防护能力。目前可用于发动机燃烧室的材料主要有镍基高温合金、C/SiC复合材料以及超高温陶瓷材料等。

在航空发动机燃烧室中，镍基高温合金是目前使用最普遍的耐高温材料，普通的锻造镍基高温合金耐温极限通常低于1000℃，通过定向凝固合金技术或者单晶合金技术，可以将镍基高温合金的耐温极限提高至1100℃，且对水蒸汽不敏感。通过进一步引入先进的陶瓷热障涂层可以将耐温减小提升至1200℃，依靠在发动机叶片内部设计先进的气膜冷却通道，可以使得高温合金的工作温度进一步提高近400℃，达到1600℃，从而大大提高了燃气轮机的推重比和燃烧效率。虽然，镍基高温合金在航空发动机、燃气轮机中被广泛应用，特别是单晶叶片性能稳定，可满足发动机长时间运转的需求，但在面向未来的发动机燃烧室应用中存在以下两个不足，限制了其进一步应用：a.材料的耐温极限低，单晶镍基高温合金叶片的耐温极限约为1100℃，由于合金材料自身特性的限制，导致其不可能应用于更高的温度，相比于铸造材料和定向晶材料，单晶已是这类材料其耐温极限；b.由于材料自身的耐温极限较低，提高材料的耐温极限依赖于冷却气膜，然而气膜冷却系统在降低叶片温度的同时，也会进一步增加发动机的负担，各式气孔的增加使得叶片的结构越来越复杂，对叶片的成型工艺造成更大困难。

C/SiC复合材料具有耐高温、高强度、抗氧化、耐烧蚀等优异的性能，与高温合金相比，只有其密度的～1/5。C/SiC复合材料在高温氧化环境中，表面可生成致密的SiO₂保护层，使得其抗氧化性、抗烧蚀等均优于C/C复合材料，具有较宽的使用温度范围，可在1650℃以下可以长时间使用，主要用于航空发动机、火箭发动机和空天飞行器的热防护系统。美国制造的燃气涡轮发动机燃烧室，法国幻影2000战斗机和狂风战斗机上，使用的M55发动机和M88航空发动机喷嘴，都是采用C/SiC复合材料。欧洲Ariane卫星发射用火箭的排气锥和火箭喷管，NASA刘易斯研究中心研制的新型液体火箭发动机等都采用了C/SiC复合材料。C/SiC复合材料具有比镍基合金更高的耐温极限，在航空发动机、固态燃料发动机、常规液体发动机等方面有较多应用，但是其在未来的高推重比发动机应用中主要存在以下两点不足：a.耐水蒸汽腐蚀能力不强，大量研究表明，在水蒸汽与氧气混合的水氧高温环境下，C/SiC复合材料的氧化速率会提高一个数量级以上，且随着温度升高至1400℃以上，其表面的致密SiO₂层会因水的腐蚀会成为多孔状，失去对基体的保护能力，导致氧化进一步加速；b.耐温极限较低，即便在无水的干氧化环境中，C/SiC复合材料的耐温极限仅为1650℃，不能满足未来高推重比发动机2000℃以上的工作温度需求。