張樂，張藝馨，牛亞然，李其連，鄧楊芳，周海濱，姚遠(yuǎn)，羅文東

SiCf/SiC復(fù)合材料表面Si/Yb2Si2O7雙層涂層結(jié)合強(qiáng)度分析

張樂1,2，張藝馨3，牛亞然4，李其連1,2，鄧楊芳5，周海濱1,2，姚遠(yuǎn)6，羅文東7

（1.中國航空制造技術(shù)研究院 高能束流加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100024；2.先進(jìn)表面工程技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100024；3.中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，沈陽 110043；4.中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所，上海 2000504；5.中國航發(fā)四川燃?xì)鉁u輪研究院，成都 610500；6.軍事科學(xué)院 系統(tǒng)工程研究院，北京 100082；7.中國航空制造技術(shù)研究院 復(fù)合材料技術(shù)中心，北京 100024）

通過選擇合適的復(fù)合材料拉伸方向和涂層制備工藝，在SiCf/SiC復(fù)材上獲得高結(jié)合強(qiáng)度的Si/Yb2Si2O7雙層涂層。采用真空等離子噴涂技術(shù)在2.5D編織的SiCf/SiC復(fù)合材料表面制備Si涂層、Si/Yb2Si2O7雙層涂層。采用金相、XRD、SEM和EDS對(duì)試樣進(jìn)行表征，采用拉伸試驗(yàn)測(cè)試涂層的結(jié)合強(qiáng)度，觀察涂層拉伸后的斷裂面形貌，分析涂層結(jié)合強(qiáng)度的影響因素。采用膠粘拉拔法，2.5D編織的SiCf/SiC復(fù)合材料拉伸后的強(qiáng)度值為(32.41±3.52) MPa，Si涂層和Yb2Si2O7涂層的孔隙率分別為2.3%和5.2%，Si涂層與SiCf/SiC復(fù)合材料的結(jié)合強(qiáng)度為(30.48±4.43) MPa，Si/Yb2Si2O7雙層涂層與SiCf/SiC復(fù)合材料的結(jié)合強(qiáng)度為(26.23±3.13) MPa。Si涂層在拉伸過程中，部分Si層、SiCf/SiC復(fù)合材料表面緯向SiC纖維、SiC基體和粘接膠都發(fā)生了斷裂。Si/Yb2Si2O7雙層涂層在拉伸過程中，大量Si層、復(fù)合材料表面緯向SiC纖維和SiC基體以及少量Yb2Si2O7層被拉開。Si/Yb2Si2O7雙層涂層與SiCf/SiC復(fù)合材料結(jié)合強(qiáng)度較高的主要原因是SiCf/SiC復(fù)合材料沿拉伸方向強(qiáng)度較高，Si涂層與復(fù)合材料結(jié)合強(qiáng)度高。真空等離子噴涂技術(shù)有利于減少涂層微觀缺陷。Yb2Si2O7的熱膨脹系數(shù)與Si、SiCf/SiC相近。Si涂層與Yb2Si2O7涂層化學(xué)相容性好。

SiCf/SiC；Si/Yb2Si2O7雙層涂層；真空等離子噴涂；環(huán)境障涂層；結(jié)合強(qiáng)度

碳化硅纖維增韌碳化硅陶瓷基復(fù)合材料（SiC fiber- reinforced SiC ceramic matrix composites，SiCf/SiC）具有良好的高溫力學(xué)性能和低密度等特點(diǎn)，已成為先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件重要的候選材料之一[1-2]。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)服役環(huán)境下，SiCf/SiC氧化生成的 SiO2與水蒸氣反應(yīng)，生成揮發(fā)性的Si—O—H（如Si(OH)4），導(dǎo)致材料性能迅速衰退。目前提高SiCf/SiC性能穩(wěn)定性的最有效方法是在其表面制備環(huán)境障涂層（Envi-ronmental barrier coating, EBC）[3-4]。

涂層結(jié)合強(qiáng)度包括涂層與基體之間的黏結(jié)強(qiáng)度以及涂層自身的內(nèi)聚強(qiáng)度，是評(píng)價(jià)涂層質(zhì)量的重要指標(biāo)[5-6]。在EBC涂層與SiCf/SiC的結(jié)合強(qiáng)度研究方面，國內(nèi)外研究報(bào)道較少。國內(nèi)方面，焦春榮等人[7-8]采用大氣離子噴涂技術(shù)在SiC陶瓷片表面制備了Si/BSAS雙層涂層，涂層與基材的結(jié)合強(qiáng)度最高可達(dá)29.8 MPa，斷裂發(fā)生在SiC基材與Si粘結(jié)層之間以及Si粘結(jié)層內(nèi)部，但SiC陶瓷片與SiCf/SiC復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和性能差別較大。黃小忠等人[9]采用大氣等離子噴涂技術(shù)在SiCf/SiC基材表面制備了Si/莫來石/ Yb2SiO5三層涂層，涂層結(jié)合強(qiáng)度為12.28 MPa。王文軍等人[10]采用激光刻蝕方法處理SiCf/SiC表面，然后采用大氣等離子噴涂技術(shù)制備了Si/3Al2O3·2SiO2/ Yb2SiO3涂層，涂層的結(jié)合強(qiáng)度為6.15 MPa。這兩個(gè)報(bào)道均以SiCf/SiC為基材，但與SiC陶瓷片表面制備的EBC涂層結(jié)合強(qiáng)度相差較大。國外學(xué)者則重點(diǎn)研究了沉積EBC涂層的SiCf/SiC試樣彎曲強(qiáng)度[11]、剪切強(qiáng)度[12]，未見結(jié)合強(qiáng)度相關(guān)的報(bào)道。為保證涂層服役期間的可靠性，有必要在SiCf/SiC基材上制備高結(jié)合強(qiáng)度的EBC涂層，并分析試樣在拉伸過程中的失效原因。

本文采用2.5D編織的SiCf/SiC復(fù)合材料作為基材，采用真空等離子噴涂技術(shù)制備了Si涂層作為底層和Yb2Si2O7涂層作為面層的雙層涂層，研究了涂層的顯微結(jié)構(gòu)、物相組成，重點(diǎn)采用拉伸法測(cè)試了涂層的結(jié)合強(qiáng)度，觀察了斷面形貌，并分析了涂層的失效原因。本工作期望能為推進(jìn)環(huán)境障涂層和SiCf/SiC復(fù)合材料的應(yīng)用提供科學(xué)基礎(chǔ)支持。

1 試驗(yàn)

SiCf/SiC復(fù)合材料的制造方法為有機(jī)前驅(qū)體浸漬熱解（Polymer Impregnation and Pyrolysis，PIP），其預(yù)制體編織方式為2.5D編織，SiC纖維采用彎交淺聯(lián)方式編織，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。預(yù)制體的緯向纖維束基本為平直纖維束，無任何擾動(dòng)，而經(jīng)向纖維束以緯向纖維束為基軸，呈S形連續(xù)擾動(dòng)分布。預(yù)制體的尺寸約為200 mm×150 mm×30 mm，編織好后采用CVD法制備PyC界面層，然后利用主鏈含Si和C的有機(jī)前驅(qū)體溶液浸漬預(yù)制體，經(jīng)交聯(lián)固化成形后，高溫?zé)Y(jié)成SiC基體。復(fù)合材料拉伸試樣尺寸為25 mm× 5.5 mm，試樣的拉伸方向平行于厚度（5.5 mm）方向。為了更好地考核涂層的結(jié)合性能，加工后的試樣5.5 mm方向平行于預(yù)制體的徑向，25 mm的面平行于預(yù)制體的緯向。

圖1 2.5D編織的預(yù)制體結(jié)構(gòu)[13]

本文采用Si涂層作為底層，Yb2Si2O7涂層作為面層。選擇該體系的主要原因是，Si涂層與SiCf/SiC復(fù)材的熱膨脹系數(shù)相近，高溫下能形成致密氧化膜（TGO），且其生長速率較慢[14]。Yb2Si2O7作為面層，具有熔點(diǎn)高、抗水氧腐蝕性能較好、彈性模量低、熱導(dǎo)率低、熱膨脹系數(shù)較低等特性[15-17]。其中，使用的Si粉采用熔融破碎方法制備，粒徑－200～+800目；使用的Yb2Si2O7粉體采用團(tuán)聚造粒+固相燒結(jié)合成，粒徑為–200～+800目。

采用真空等離子噴涂技術(shù)制備Si和Yb2Si2O7涂層，設(shè)備為中國航空制造技術(shù)研究院自制的ZDP-1700真空等離子噴涂系統(tǒng)。噴涂的工藝參數(shù)見表1。設(shè)計(jì)Si涂層厚度為0.1 mm，Yb2Si2O7涂層厚度為0.2 mm。噴涂后試樣如圖2所示。

表1 噴涂工藝參數(shù)

Tab.1 Process parameters of plasma spray

圖2 SiCf/SiC表面涂層的宏觀照片

采用KEYENCE/VHX-5000型超景深三維顯微鏡觀察拉伸后樣品的斷口形貌。采用ZEISS SUPRA 55 Sapphire型掃描電鏡（SEM）觀察樣品的截面形貌，用掃描電鏡自帶的能譜儀（EDS）對(duì)樣品進(jìn)行成分分析。采用BRUKER D8 ADVANCE型X射線衍射儀（XRD）表征涂層物相，試驗(yàn)條件為Cu靶（= 0.154 nm），角度掃描范圍為10°～90°，掃描步幅為10 (°)/min。采用金相法測(cè)量涂層的孔隙率，參照標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》，設(shè)備為Leica DMI5000M金相顯微鏡。測(cè)試過程中先用光鏡拍攝照片，然后軟件進(jìn)行空隙率分析。

涂層結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試參照HB 5476—91《熱噴涂涂層結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)方法》。首先將鋼質(zhì)對(duì)偶件噴砂，然后將不含涂層、單面含涂層的復(fù)合材料試樣與對(duì)偶件用FM-1000高溫膠片粘結(jié)，在馬弗爐內(nèi)190 ℃保溫2 h。將粘結(jié)好后的試樣（見圖3）在LE5105電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。將拉斷時(shí)單位面積涂層承受的載荷為涂層的結(jié)合強(qiáng)度，并觀察斷口形貌，確定涂層的斷裂位置。每組工藝制備的涂層均采用5個(gè)平行試樣，取平均值作為測(cè)試結(jié)果。

圖3 粘結(jié)后的試樣

2 結(jié)果與分析

2.1 顯微結(jié)構(gòu)

噴涂用Si粉的形貌如圖4所示。可以看出，粉體形狀不規(guī)則，呈典型的熔融破碎粉體特征。

Yb2Si2O7粉體的形貌如圖5所示?？梢钥闯觯琘b2Si2O7粉表面凹凸不平，且含有一定孔隙，主要是燒結(jié)過程中粘結(jié)劑揮發(fā)造成的。粉體中Yb、Si和O的原子比為2∶1.43∶6.74，Yb2Si2O7化學(xué)式中三者的比例為2∶2∶7。EDS能譜中Si、O比例略少，可能原因是在實(shí)際生產(chǎn)過程中，粉末原料在配料時(shí)Yb2O3稍過量；另一個(gè)可能原因是在粉體合成過程中，除Yb2O3和SiO2發(fā)生式(1)的固相反應(yīng)生成Yb2Si2O7外，可能發(fā)生式(2)的固相反應(yīng)，生成Yb2SiO5。

圖4 Si粉的顯微形貌

圖5 Yb2Si2O7粉的顯微形貌和EDS元素分析

Yb2O (s)+ 2SiO2(s)→Yb2Si2O7(s) (1)

Yb2O3(s) + SiO2(s)→Yb2SiO5(s) (2)

SiCf/SiC復(fù)合材料截面顯微形貌如圖6a所示。文獻(xiàn)[18-19]中報(bào)道SiCf/SiC復(fù)合材料主要包括SiC纖維、纖維表面界面層及SiC基體，圖6a中SiC纖維的直徑為10～15 μm。平行于拉伸方向，有徑向的一束SiC纖維，垂直于拉伸方向有較多緯向的SiC纖維。SiC纖維之外為SiC基體和界面層，復(fù)材內(nèi)部存在一定的孔隙，主要是制備工藝本身造成的。Si/Yb2Si2O7涂層的低倍截面形貌如圖6b所示。Si和Yb2Si2O7涂層厚度分別約為0.08、0.23 mm。與Si涂層接觸的界面處，有較多徑向和緯向的SiC纖維，還有與界面夾角較小、徑向彎曲的纖維，該徑向纖維應(yīng)為S形彎曲時(shí)變形形成的。Si涂層與SiCf/SiC復(fù)合材料界面處的高倍截面形貌如圖6c所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，Si涂層結(jié)構(gòu)致密，孔隙率約為2.3%。Si涂層與復(fù)合材料界面結(jié)合緊密，界面處未發(fā)現(xiàn)新的化合物，且Si未溶于復(fù)材中，說明Si涂層與SiCf/SiC復(fù)合材料化學(xué)相容性好。圖6中A和B區(qū)域的EDS結(jié)果見表2，Si涂層中的氧含量很低，僅為1.52%（原子數(shù)分?jǐn)?shù)）。雖然在噴涂過程中等離子體的溫度很高（1萬多攝氏度[20]），但本文采用的是真空等離子噴涂技術(shù)，噴涂氣氛中氧含量很少，且有氬氣保護(hù)，所以Si涂層中的氧含量很低。圖6d為Yb2Si2O7層與Si層界面處的高倍截面形貌?？梢园l(fā)現(xiàn)，Yb2Si2O7涂層與Si涂層結(jié)合緊密，Yb2Si2O7涂層孔隙率約為5.2%，略小于文獻(xiàn)[21]報(bào)道值（7.6%）。界面處未發(fā)現(xiàn)新物質(zhì)生產(chǎn)，初步說明Si層與Yb2Si2O7層化學(xué)相容性較好。EDS結(jié)果顯示，Yb2Si2O7涂層中的Yb、Si和O的原子比為2∶1.23∶2.33。結(jié)合Yb2Si2O7粉體EDS分析結(jié)果，可發(fā)現(xiàn)涂層中Si含量降低，可能是噴涂過程中粉體發(fā)生分解，形成硅的氧化物發(fā)生揮發(fā)造成的[22-25]。

表2 選區(qū)內(nèi)的EDS能譜（原子比/%）

Tab.2 EDS results of selective area at.%

Si涂層和原料粉體的XRD圖譜如圖7所示。由圖7可知，粉末和涂層的主要物相均為Si，且兩者的XRD圖譜形狀非常接近，未見氧化物雜質(zhì)相。這與EDS結(jié)果中氧含量很低的結(jié)果一致，主要是噴涂和冷卻過程氧含量很低且受惰性氣體保護(hù)的原因。

圖7 Si涂層和Si粉的XRD圖譜

Yb2Si2O7涂層和原料粉體的XRD圖譜如圖8所示。Yb2Si2O7粉和Yb2Si2O7涂層的主要物相接近，均為Yb2Si2O7，并含有少量的Yb2O3，未發(fā)現(xiàn)明顯Yb2SiO5和SiO2物相。結(jié)合噴涂前后Yb、Si和O原子比的變化以及文獻(xiàn)[22-23]的報(bào)道，可以發(fā)現(xiàn)，Yb2Si2O7在噴涂過程中發(fā)生分解，分解化學(xué)方程式如式(3)所示，分解產(chǎn)物為Yb2SiO5和高溫?fù)]發(fā)性的SiO2。亦有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道Yb2SiO5在噴涂時(shí)會(huì)析出Yb2O3，并發(fā)生硅的氧化物的損失[24-25]。由于硅的氧化物揮發(fā)及Yb2SiO5分解，噴涂后涂層未發(fā)現(xiàn)明顯SiO2物相和Yb2SiO5。

圖8 Yb2Si2O7涂層和Yb2Si2O7粉的XRD圖譜

Yb2Si2O7(l) →Yb2SiO5(l) + SiO2(g) (3)

2.2 結(jié)合強(qiáng)度表征與分析

2.2.1 SiCf/SiC復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度

首先測(cè)試了SiCf/SiC復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度，測(cè)試方法參照的是熱噴涂涂層結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)方法。SiCf/ SiC復(fù)合材料的平均拉伸強(qiáng)度為(32.41±3.52) MPa。

SiCf/SiC復(fù)合材料拉伸試驗(yàn)后的宏觀與斷面形貌如圖9所示。可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)偶件-1（見圖9a）的上方?jīng)]有明顯厚度的SiCf/SiC復(fù)合材料，對(duì)偶件-2（見圖9d）上方粘有SiCf/SiC復(fù)合材料試樣。從2個(gè)對(duì)偶件的側(cè)面觀察可知，復(fù)合材料在拉伸過程中，斷裂位置主要在材料表面。2個(gè)斷面的宏觀斷口（見圖9b、e）均有白色的粘結(jié)膠和條狀紋路。從斷口高倍形貌（見圖9c、f）可以看到絲狀的緯向SiC纖維、粘結(jié)膠和灰黑色的SiC基體，表明SiCf/SiC復(fù)材在拉伸過程中，復(fù)材表面部分緯向的SiC纖維沿拉伸方向被拉開，SiC基體和粘結(jié)膠發(fā)生了斷裂。

筆者課題組前期的研究表明，當(dāng)試樣的厚度方向（拉伸方向）平行于復(fù)合材料的緯向時(shí)，復(fù)材的拉伸強(qiáng)度約為15 MPa。本文中試樣的厚度方向平行于復(fù)合材料的徑向，當(dāng)沿厚度方向拉伸時(shí)，沿拉伸方向含有較多順著拉伸方向的纖維束，所以拉伸時(shí)顯示的復(fù)材強(qiáng)度較高。在粘樣過程中，粘結(jié)膠部分粘到了徑向纖維束，本文選用的SiC纖維抗拉強(qiáng)度為2.2～2.6 GPa，強(qiáng)度極高，粘結(jié)用膠膜抗拉強(qiáng)度約70 MPa。在拉伸過程中，徑向纖維束應(yīng)不會(huì)被拉斷，與其接觸的粘結(jié)劑會(huì)被拉斷，所以斷口有白色的粘結(jié)膠。拉伸方向垂直于緯向纖維束所在的平面，SiC基體之間的結(jié)合強(qiáng)度較低，因此在拉伸過程中，復(fù)合材料表面緯向纖維之間的SiC基體會(huì)被拉開，從而使表面緯向纖維發(fā)生剝離。

2.2.2 Si涂層的結(jié)合強(qiáng)度分析

Si涂層與SiCf/SiC復(fù)合材料結(jié)合強(qiáng)度的平均值為(30.48±4.43) MPa，與復(fù)合材料自身的拉伸強(qiáng)度接近，說明Si涂層和復(fù)合材料結(jié)合良好。本文中Si層的結(jié)合強(qiáng)度已達(dá)到焦春榮等[7-8]報(bào)道BSAS環(huán)境障涂層的結(jié)合強(qiáng)度值（29.8 MPa）。

Si涂層拉伸試驗(yàn)后的宏觀與斷面形貌如圖10所示。對(duì)偶件-3（見圖10a）側(cè)面上方?jīng)]有明顯厚度的SiCf/SiC復(fù)合材料或Si涂層，對(duì)偶件-4（見圖10d）側(cè)面上方粘有試樣。從對(duì)偶件側(cè)面觀察可知，加有Si涂層的復(fù)合材料在拉伸過程中，斷裂位置主要在涂層或者涂層與復(fù)合材料的界面位置。在2個(gè)斷面的宏觀斷口（見圖10b、e）均可以看到條狀紋路和粘結(jié)膠，由于粘有Si涂層，粘結(jié)膠的顏色較淺。在斷口放大形貌（見圖10c、f）觀察到Si層、大量絲狀緯向SiC纖維和灰黑色SiC基體。以上觀察結(jié)果表明，含Si層的SiCf/SiC復(fù)材在拉伸過程中，部分Si層、復(fù)材的SiC基體、粘結(jié)膠都發(fā)生了斷裂，且復(fù)材表面部分緯向的SiC纖維沿拉伸方向被拉開。

圖9 SiCf/SiC復(fù)合材料拉伸后的宏觀與斷面形貌

圖10 Si涂層拉伸后的宏觀與斷面形貌

Si涂層與復(fù)材結(jié)合良好的主要原因是，第一，選用的復(fù)材加工方式合理，SiCf/SiC復(fù)合材料順著拉伸方向強(qiáng)度較高。課題組前期研究結(jié)果顯示，若拉伸強(qiáng)度較低的復(fù)合材料表面噴涂Si層，拉伸時(shí)復(fù)合材料中間位置可能會(huì)被拉斷，因此若想得到高的涂層結(jié)合強(qiáng)度數(shù)值，選定一個(gè)拉伸方向強(qiáng)度高的基材很重要。第二，本文涂層制備技術(shù)合理，Si在高溫下容易氧化，采用真空等離子噴涂，噴涂過程中能有效減少氧化物雜質(zhì)，有助于提高涂層的致密性，減少氣孔等缺陷，對(duì)涂層與基體之間的黏結(jié)強(qiáng)度以及涂層自身的內(nèi)聚強(qiáng)度有利；同時(shí)高的真空度有利于SiCf/SiC復(fù)合材料表面保持良好的潔凈度，進(jìn)而提高涂層與基體之間的黏結(jié)強(qiáng)度。第三，文獻(xiàn)[26]中報(bào)道的SiCf/SiC、Si的熱膨脹系數(shù)分別為4.5×10–6～5.5×10–6℃–1、3.5×10–6～ 4.5×10–6℃–1，兩者熱膨脹系數(shù)相近，熱匹配性能較好。Si涂層的制備過程是將Si粉在等離子焰流下加熱至熔融或半熔融，沉積到SiCf/SiC復(fù)合材料表面，然后冷卻的過程；噴涂材料在制備過程中的應(yīng)力隨著熱膨脹系數(shù)的差別有所不同，Si和SiCf/SiC復(fù)合材料的熱匹配性能好，可有效緩和制備過程中的熱應(yīng)力，對(duì)涂層結(jié)合強(qiáng)度的提高起到積極作用。第四，結(jié)合金相照片和相關(guān)文獻(xiàn)[27]可知，Si涂層與SiC的化學(xué)相容性好，在噴涂過程中，有利于Si涂層在復(fù)合材料表面的鋪展及結(jié)合。

2.2.3 Si/Yb2Si2O7雙層涂層的結(jié)合強(qiáng)度分析

Si/Yb2Si2O7雙層涂層與SiCf/SiC復(fù)材的結(jié)合強(qiáng)度的平均值為(26.23±3.13) MPa。雙層涂層的結(jié)合強(qiáng)度略小于單層Si涂層的結(jié)合強(qiáng)度，但明顯超過了文獻(xiàn)報(bào)道中SiCf/SiC復(fù)合材料EBC涂層的結(jié)合強(qiáng)度[9-10]，接近SiC陶瓷片表面BSAS涂層的結(jié)合強(qiáng)度值（29.8 MPa）[7-8]。

Si/Yb2Si2O7雙層涂層拉伸試驗(yàn)后宏觀與斷面形貌如圖11所示。對(duì)偶件-5（見圖11a）側(cè)面上方?jīng)]有明顯厚度的SiCf/SiC復(fù)材或涂層，對(duì)偶件-6（見圖11d）側(cè)面上方粘有試樣。從對(duì)偶件側(cè)面觀察可知，雙層涂層在拉伸過程中，斷裂位置主要在涂層內(nèi)部或者涂層與復(fù)材的界面位置。在兩個(gè)斷面的宏觀斷口（見圖11b、e）可以看條狀紋路和少量黃色的Yb2Si2O7涂層，未發(fā)現(xiàn)明顯白色的粘結(jié)膠；觀察斷口放大形貌圖（圖11c、f）可發(fā)現(xiàn)大量灰色的Si層、絲狀緯向SiC纖維和黑色的SiC基體。以上觀察結(jié)果表明，含Si/Yb2Si2O7雙層涂層的SiCf/SiC在拉伸過程中，大量Si層和復(fù)材的SiC基體以及少量Yb2Si2O7層發(fā)生了斷裂，且復(fù)材表面部分緯向的SiC纖維沿拉伸方向被拉開。

圖11 Si/Yb2Si2O7雙層涂層拉伸后的宏觀與斷面形貌

通過對(duì)比圖10和圖11斷面照片可知，相較于Si單層涂層，Si/Yb2Si2O7雙層涂層在拉伸過程中，因少量Yb2Si2O7涂層被拉開，且Si層被拉開的面積大，所以SiCf/SiC復(fù)材被拉開的面積要小。

與Si涂層拉伸原因相似，Si/Yb2Si2O7雙層涂層與SiCf/SiC復(fù)材結(jié)合強(qiáng)度高的原因主要為：1）SiCf/SiC復(fù)材沿拉伸方向強(qiáng)度較高，Si層與復(fù)合材料結(jié)合強(qiáng)度高；2）本文采用的真空等離子噴涂，有利于減少涂層內(nèi)的微觀缺陷，從而提高了涂層與基體之間的黏結(jié)強(qiáng)度以及涂層自身的內(nèi)聚強(qiáng)度；3）Yb2Si2O7的熱膨脹系數(shù)為3.3×10–6～5.2×10–6℃–1，與Si、SiCf/SiC的熱膨脹系數(shù)相近[17]；4）Si層與Yb2Si2O7層的化學(xué)相容性好，有利于Yb2Si2O7在Si涂層表面的鋪展和結(jié)合。

Si/Yb2Si2O7雙層涂層的結(jié)合強(qiáng)度（(26.23±3.13) MPa）略低于單層Si涂層的結(jié)合強(qiáng)度（(30.48±4.43) MPa）。分析原因是，從斷口形貌來說，雙層涂層在拉伸過程中，被拉開的SiCf/SiC復(fù)合材料相對(duì)較少，且未發(fā)現(xiàn)粘結(jié)膠明顯被拉開，從而使雙層涂層在拉伸過程中顯示的結(jié)合強(qiáng)度值降低。Yb2Si2O7涂層的孔隙率約為5.2%，與Si層相比，孔隙等缺陷含量相對(duì)較高，這不利于涂層的結(jié)合強(qiáng)度，且Yb2Si2O7涂層中含有一定的Yb2O3相。Yb2O3的熱膨脹系數(shù)[28]為6.8×10–6～ 8.5×10–6℃–1，與Yb2Si2O7、Si、SiCf/SiC的熱膨脹系數(shù)相差較大，會(huì)增加涂層的應(yīng)力，也可能降低涂層的結(jié)合強(qiáng)度。

3 結(jié)論

1）真空等離子噴涂制備的Si涂層的主要物相為Si，孔隙率約為2.3%；真空等離子噴涂制備的Yb2Si2O7涂層主要物相為Yb2Si2O7，并含少量Yb2O3，孔隙率約為5.2%。

2）拉伸法測(cè)SiCf/SiC復(fù)材沿徑向的拉伸強(qiáng)度值為(32.41±3.52) MPa；Si涂層、Si/Yb2Si2O7雙層涂層與SiCf/SiC復(fù)材的結(jié)合強(qiáng)度分別為(30.48±4.43) MPa、(26.23±3.13) MPa。

3）Si涂層在拉伸過程中，部分Si層、復(fù)材的SiC基體、粘結(jié)膠發(fā)生了斷裂，且復(fù)材表面部分緯向SiC纖維沿拉伸方向被拉開。Si/Yb2Si2O7涂層在拉伸過程中，大量Si層和復(fù)材的SiC基體以及少量的Yb2Si2O7層發(fā)生了斷裂，且復(fù)材表面部分緯向SiC纖維沿拉伸方向被拉開。

4）Si/Yb2Si2O7雙層涂層的結(jié)合強(qiáng)度較高。主要原因是SiCf/SiC復(fù)材沿拉伸方向強(qiáng)度較高，Si涂層與復(fù)材結(jié)合強(qiáng)度高；真空等離子噴涂技術(shù)降低了涂層的微觀缺陷；Yb2Si2O7的熱膨脹系數(shù)與Si、SiCf/SiC相近；Si涂層與Yb2Si2O7涂層的化學(xué)相容性好。Si/Yb2Si2O7雙層涂層的結(jié)合強(qiáng)度略小于單層Si涂層的結(jié)合強(qiáng)度，主因可能是Yb2Si2O7涂層孔隙率相對(duì)較高，且Yb2Si2O7涂層中Yb2O3物相的熱膨脹系數(shù)與Yb2Si2O7、Si和SiCf/SiC相差較大。

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Bonding Strength of Si/Yb2Si2O7Duplex Coatings on SiCf/SiC Composites

1,2,3,4,1,2,5,1,2,6,7

(1. Science and Technology on Power Beam Processes Laboratory, AVIC Manufacturing Technology Institute, Beijing 100024, China; 2. Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Advanced Surface Engineering, Beijing 100024, China; 3. AECC Shenyang Liming Aero Engine Corporation Ltd., Shenyang 110043, China; 4. Shanghai Institute of Ceramics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200050, China; 5. AECC Sichuan Gas Turbine Establishment, Chengdu 610500, China; 6. Institute of System Engineering, AMS, PLA, Beijing 100082, China; 7. Composite Technology Center, AVIC Manufacturing Technology Institute, Beijing 100024, China)

By the means of choosing suitable stretched direction of SiC fiber-reinforced SiC ceramic matrix composites (SiCf/SiC composites) and preparation technology of coatings, this work aims to obtain Si/Yb2Si2O7duplex coatings of high bonding strength on SiCf/SiC composites. Si coating and Si/Yb2Si2O7duplex coatings were prepared by vacuum plasma spraying (VPS) on 2.5D woven SiCf/SiC composites. The specimens were investigated by metallographic, XRD, SEM and EDS, and the bonding strength was tested by tensile test. The fracture morphology after the tensile test was observed and possible influence factors of the bonding strength were analyzed. The results show that: by using adhesion-drawing method, the tensile strength of 2.5D woven SiCf/SiC composites is (32.41±3.52) MPa. Porosities of Si coating and Yb2Si2O7coating are 2.3% and 5.2%. The bonding strength of Si coating on SiCf/SiC is (30.48±4.43) MPa, while that of Si/Yb2Si2O7duplex coatings (26.23±3.13) MPa. When the Si coating is stretching, parts of Si coating, weft yarn of SiC fibers and SiC ceramic matrix on the surface of SiCf/SiC composites and adhesive film are broken. When the Si/Yb2Si2O7duplex coating is stretching, a great deal of Si coating, weft yarn of SiC fibers and SiC ceramic matrix on the surface of SiCf/SiC composites and a little of Yb2Si2O7coating are broken. The main reasons for the high bonding strength of Si/Yb2Si2O7duplex coatings on SiCf/SiC composites are as follows: the strength of SiCf/SiC along stretched direction is high, and the bonding strength of Si coating and SiCf/SiC is high; the vacuum plasma spraying is beneficial to decrease the defects of coatings; thermal expansion coefficient of Yb2Si2O7is approximately with that of Si and SiCf/SiC; chemical compatibility between Si coating and Yb2Si2O7coating is excellent.

SiCf/SiC; Si/Yb2Si2O7duplex coating; vacuum plasma spraying; environmental barrier coating; bonding strength

2021-04-09；

2021-09-06

ZHANG Le (1983—), Male, Doctor, Senior engineer, Research focus: coatings technology and chmeical heat treatment.

張樂, 張藝馨, 牛亞然, 等. SiCf/SiC復(fù)合材料表面Si/Yb2Si2O7雙層涂層結(jié)合強(qiáng)度分析[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(3): 199-207.

TG174

A

1001-3660(2022)03-0199-09

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.03.021

2021-04-09；

2021-09-06

國家科技重大專項(xiàng)（2017-VI-0020-0092，2017-VI-0007-0076）

Fund：National Science and Technology Major Project (2017-VI-0020-0092, 2017-VI-0007-0076)

張樂（1983—），男，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向涂層技術(shù)、化學(xué)熱處理。

ZHANG Le, ZHANG Yi-xin, NIU Ya-ran, et al. Bonding Strength of Si/Yb2Si2O7Duplex Coatings on SiCf/SiC Composites[J]. Surface Technology, 2022, 51(3): 199-207.