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(GTF)航空发动机和燃气轮机聚焦大会暨展览会将于2024年07月10日-07月10日,在中国西部国际博览城举办,本文将对该工业展举办时间、地点、购票等相关信息进行详述。
在即将到来的2024年07月10日-07月10日,中国西部国际博览城将迎来一场行业盛会——航空发动机和燃气轮机聚焦大会暨展览会(GTF)。这场备受瞩目的盛会不仅是一场展览,更是一个汇聚了国内外知名企业、专家学者和行业领袖的高端交流平台。下文将介绍展会参展及展会的相关信息。
一、展会时间
2024年07月10日-07月10日(为期2天)
二、参观时间
07月10日 09:00-18:00(周三)
07月11日 09:00-18:00(周四)
07月12日 09:00-18:00(周五)
三、展会地点
展馆: 中国西部国际博览城 地址: 成都市天府新区福州路东段88号 30.429115 104.085472
四、展会门票
展期票 2024.07.10-07.12 280元
参观须知: (1)参观当日持本人居民身份证直接刷卡入馆; (2)持其他有效证件的需扫预约二维码入馆; (3)没有身份证的儿童须由成人带领入馆。
展会简介
燃气轮机作为能源洁净利用与高效转换的核心装备,在风、光等可再生能源占比逐年提升的背景下,其在大规模长周期储能场景中的应用日益受到重视。中国气电发展规模持续扩大,但气源问题仍待解决,国产气和进口气源充足,但低价气源无法保障。氢能发展速度远超预期,尤其是在中国,自主燃机取得重大技术突破,为氢能时代的“电-氢-电”做好前期准备。燃气轮机产业链加速完善,用户端、整机企业和供应商企业呼吁中国产业链的成形以应对断供风险。燃气轮机聚焦大会(GTF)见证了行业技术发展与国际交流的深入,2023年大会以“面向低碳社会的燃气轮机技术”为主题,吸引了众多嘉宾和参展商,得到了专家和领导的肯定。2024年GTF将在成都举办,以“会+展”的形式打造合作交流展示平台,预计将有更多行业从业者参与,共同推动燃气轮机行业的发展。
中国西部国际博览城
举办展馆: 成都市天府新区福州路东段88号
2025苏州涡轮技术大会暨民用航空发动机与燃气轮机展将于2025.05.27-05.29在苏州国际博览中心举办,为铸造行业15000名观众与800家参展企业提供了一个宝贵的交流平台,探索最新技术、洞察行业趋势,并与行业领袖进行深入交流。目前线上预定门票、门票申请火热进行中~ 苏州涡轮技术大会暨民用航空发动机与燃气轮机展 展览规模:展览面积20000㎡平米、观众人数15000名、参展商800家 展览时间:2025.05.27-05.29 举办地址:苏州市苏州工业园区苏州大道东688号 举办展馆:苏州国际博览中心 主办单位:Turbinetech组委会 展期票 2025.05.27-05.29 30.00元 门票预约指南: 1. 访问聚展网相关展会页面或苏州涡轮技术大会暨民用航空发动机与燃气轮机展官网。 2. 点击“门票预约”或“立即申请”按钮,进入预约页面。 3. 根据提示填写个人信息,包括姓名、联系电话、身份证件号码等。 4. 确认信息无误后提交申请。 5. 收到预约成功的通知后,保留好短信、微信或邮件中的确认信息。 参观须知: (1)参观当日持本人居民身份证直接刷卡入馆; (2)持其他有效证件的需扫预约二维码入馆; (3)没有身份证的儿童须由成人带领入馆。 本资讯由聚展网工作人员整理编辑,我们是一家汇集全球展会时间地点、门票购买、展位申请、展商名录及展会会刊的服务平台,如有转载请注明来源。
2025.05.27-05.29,备受瞩目的苏州涡轮技术大会暨民用航空发动机与燃气轮机展将在苏州国际博览中心隆重举办,聚展网为参展企业提供展位申请、展位预订等服务。 展位类型及价格 标准展位:提供基本的展位设施,包括展板、展桌、椅子、照明等,适合小型企业或首次参展的企业。价格根据展位面积及位置不同而有所差异。 光地展位:不提供任何设施,参展商可自行设计及搭建展位,适合希望个性化展示的企业。价格按平方米计算,同样根据位置不同而有所变化。 预订流程 填写申请表:在线填写展位申请表,提供企业基本信息及展位需求。 选择展位:根据展位布局图选择心仪展位位置,确认展位类型及面积。 提交申请:提交展位申请表及相关资料,等待组委会审核。 签订合同:审核通过后,组委会将与申请企业签订展位租赁合同,明确双方权利与义务。 支付定金:根据合同要求支付展位定金,以确保展位预订成功。 支付尾款:按照合同约定时间,支付展位尾款。 展位确认:支付完成后,展位预订正式确认,参展商将收到展位确认函及参展指南。 标准展位:请询价 注意事项 尽早预订:展位预订遵循先到先得的原则,建议企业尽早提交申请,以获得更优的展位位置。 阅读合同:仔细阅读展位租赁合同,确保了解所有条款及条件。 遵守规则:参展商需遵守展会的各项规则与指导,包括搭建规定、安全要求等。 苏州涡轮技术大会暨民用航空发动机与燃气轮机展不仅是展示产品、拓展市场的平台,更是行业交流与合作的桥梁。我们诚邀铸造行业同仁及企业参与,共同打造一场行业盛宴。 苏州涡轮技术大会暨民用航空发动机与燃气轮机展 展览时间:2025.05.27-05.29 举办展馆:苏州国际博览中心 展览规模:展览面积20000㎡平米、观众人数15000名、参展商800家 主办单位:Turbinetech组委会 苏州涡轮技术大会暨民用航空发动机与燃气轮机展(Turbinetech)为顺应国家重型装备发展趋势,加速航空燃机产业高效发展,打造开放自由、共商共策的国际化航空燃机产业生态合作圈!由上海市航空学会主办的2025涡轮技术大会暨民用航空发动机与燃气轮机展将于2025年5月27-29日在苏州国际博览中心举办。届时,2025涡轮展将以“两天大会+三天展览”的形式,打造产学研和市场应用合作交流展示平台。苏州涡轮技术大会暨民用航空发动机与燃气轮机展(Turbinetech)以“主论坛+七大分论坛”形式召开,将深度分享航空动力、航空制造技术、陶瓷基先进材料、净零碳氢能燃料技术、重型燃气轮机研发制造、轻型燃气轮机产业发展、燃机电厂、关键部件制造、增材制造等核心技术与前沿内容。知名院士及来自航空院所、燃气轮机整机商、先进航空动力、小型&微型航空发动机、先进材料、知名企业等260+位高层领导、知名专家、资深教授以专题报告、圆桌讨论、新品发布会、采访等形式进行技术碰撞与知识融合,欢迎业内同仁参会交流。苏州涡轮技术大会暨民用航空发动机与燃气轮机展(Turbinetech)将围绕民用航空动力、燃气轮机、先进制造、高温合金、先进材料/复合材料、高端零部件、航空数字化、测试与试验装备、数字化信息化等主题进行整机、展品与技术展示。800+家来自航空动力与燃气轮机产业链的展商将为您呈现从材料到主机再至运维的完整链路,展览面积超20000平方米,15000+业内同仁邀您共享这场航空动力与燃气轮机的先进技术饕餮盛宴。 苏州涡轮技术大会暨民用航空发动机与燃气轮机展展品范围: 整机制造、涡轮叶片、叶轮、高温合金、钛合金、轴承、铸/锻件、增材制造、3D打印、风扇、转子、热/冷喷涂、粉末材料、激光强化、整体叶盘、机匣、气膜、振动、火焰筒、燃烧室、陶瓷基复合材料、燃烧、仿真、传热、传质;结构、强度、振动、密封、传输、控制技术、试验与测试、材料与工艺等 苏州涡轮技术大会暨民用航空发动机与燃气轮机展2025在线预定展位 聚展为您呈现展位图、展位价格、参展商名录、会刊申请、邀请函申请、门票购买、签证服务、展位搭建等。想了解更详细资料,请联系聚展~ 本资讯由聚展网工作人员整理编辑,我们是一家汇集全球展会时间地点、门票购买、展位申请、展商名录及展会会刊的服务平台。
2025苏州涡轮技术大会暨民用航空发动机与燃气轮机展将于2025.05.27-05.29在苏州国际博览中心举办,为铸造行业15000名观众与800家参展企业提供了一个宝贵的交流平台,是铸造行业的重要风向标。 苏州涡轮技术大会暨民用航空发动机与燃气轮机展展商名录 对于想要获取展商名录的观众,可以通过展会的官方网站或者相关的展会服务网站(聚展网)进行预订,以确保信息的准确性和完整性。展商名录会包含展商的名称、展位号、联系方式等信息,方便参观者在展会前做好充分的准备和规划。如果您需要进一步的信息,建议联系聚展网的工作人员。 苏州涡轮技术大会暨民用航空发动机与燃气轮机展 展览时间:2025.05.27-05.29 举办展馆:苏州国际博览中心 举办地址:苏州市苏州工业园区苏州大道东688号 展览规模:展览面积20000㎡平米、观众人数15000名、参展商800家 主办单位:Turbinetech组委会 展品范围: 整机制造、涡轮叶片、叶轮、高温合金、钛合金、轴承、铸/锻件、增材制造、3D打印、风扇、转子、热/冷喷涂、粉末材料、激光强化、整体叶盘、机匣、气膜、振动、火焰筒、燃烧室、陶瓷基复合材料、燃烧、仿真、传热、传质;结构、强度、振动、密封、传输、控制技术、试验与测试、材料与工艺等 本资讯由聚展网工作人员整理编辑,我们是一家汇集全球展会时间地点、门票购买、展位申请、展商名录及展会会刊的服务平台,如有转载请注明来源。
涡轮技术博览会(Turbinetech)为顺应国家重型装备发展趋势,加速航空燃机产业高效发展,打造开放自由、共商共策的国际化航空燃机产业生态合作圈!2024年度亚洲规模最大、规格最高的2024涡轮技术博览会将于5月30-31日在中国上海张江科学会议中心召开。
本次博览会立足本土,面向世界,涵盖整机智能制造、关键部件供应、特种高温材料、金属成形加工、多学科仿真、数字孪生、试验检测、升级改造、运维服务等超300+全产业链上下游优秀展商企业齐聚,共同实现产业对接交流,优秀成果转化。
此外,本次博览会特邀请超150位全球行业顶尖发言及领导嘉宾莅临出席,围绕中小型航空动力、SAF/氢能等先进航空燃料、大推力民用航空发动机、航空发动机试验测试、重型燃气轮机研发制造、纯氢燃气轮机、先进燃机运维检修服务、燃气轮机国产化等先进热门话题展开深入交流讨论,共同打造国际化高水平的航空燃机技术交流与科技创新平台。
来自国内外先进航空燃机整机单位、发动机研发制造单位、航空公司、领先电厂、第三方运维技术公司、全国各大高校科研院所、先进技术解决方案供应商、科研中心等20000+嘉宾观众齐聚,共同实现供应链高效对接!2024涡轮技术博览会将邀请来自产业链上下游300+家展商单位、150+发言嘉宾、20000+位专业观众开展为期两天的展览及会议的日程安排。
2024涡轮技术博览会,我们期待您的到来!
航空发动机是“支承在轴承上”的高速旋转热力机械,主轴轴承作为发动机转子系统的支承核心,对保证发动机的性能实现和可靠运转至关重要。国外航空发动机公司一直将轴承视为发动机的核心零部件,持续推进主轴轴承相关技术研发,并严格控制其技术输出。
本文选取发动机的1套已剥落的角接触球轴承进行剥落扩展试验,通过采用监测金属屑末含量、轴承温度转子振动等手段,对其剥落扩展规律进行分析,探索轴承的剥落极限,从而为发动机地面试车或飞行试验提供重要的技术支持。
0 1
实验条件
0 1
实验轴承
试验轴承为已经在装机状态下使用500 h的3支点角接触球轴承,钢球数量为 20个。分解后在轴承外圈中央滚动体接触区域预制缺陷,采用洛氏硬度仪手动压坑,压坑直径约为1mm 数量为2x3个。随后轴承在试验器上运行了5h 后发生剥落,剥落范围约为8mmx6 mm(长x宽)试验轴承初始状态如图1所示。
02
试验器
试验轴承安装在高温高速轴承试验器上,配合关系为内圈过盈外圈过渡。试验器转子由电主轴驱动运转,最高转速达17000 r/min ,试验器主体如图2所示。 试验轴承装配在试验器的转子中心,并拥有独立的腔室结构。轴承的润滑由试验润滑系统单独提供所受径向载荷和轴向载荷均直接施加至轴承外圈由液压加载系统提供;左右两侧为“一球一棒”2 套支承轴承,其润滑由设备润滑系统提供
02
实验方法
润滑方式
试验轴承使用符合国军标要求的航空润滑油进行润滑,润滑条件见表 1
监测方式
由于试验轴承初始状态存在疲劳剥落,试验过程中需密切滑油金属屑含量、轴承温度、转子振动变化等情况。因此,在试验润滑系统的回油管路、试验轴承外圈以及试验壳体靠近试验轴承处分别安装金属屑末传感器、温度传感器以及振动传感器进行实时监测,同时对涉及试验器性能的转速、供油压力供回油温度、加载能力等指标进行辅助监测各监测参数的精度见表2
在试验中,若发生下列情况之一时,需终止试验
0 1
0 2
0 3
0 4
0 5
03
试验方案
本次试验模拟发动机的真实工况,按照发动机试车载荷谱循环运行了18 h,并分解试验轴承6次,观察轴承外圈的剥落扩展情况,分别间隔 2、2、2、4、4、4h。由于目前中国可借鉴的轴承剥落扩展试验研究相对较少,因此从安全性的角度出发在试验的初期阶段增大了试验轴承分解的频次
03
实验结果及分析
0 1
轴承的剥落扩展结果
按上述试验条件和方法进行试验,通过分解轴承,观察其外圈剥落扩展情况如图3所示 试验轴承剥落尺寸见表3。 此外,在 18 h试验后分解轴承发现共有 5个 滚动体的表面出现剥落,如图 4所示 由此可知,轴承的剥落扩展经历了快速期、平稳期、急速期3个阶段。其中,前2次试验(0~ 4 h)为快速剥落期,剥落区域沿轴承圆周和宽度方向快速扩展;中间3次试验(4~14 h)为平稳剥落期,剥落区域沿轴承圆周、宽度、深度方平稳扩展,且宽度基本已达上限;最后一次试验(14~18 h)为急速剥落期,剥落区域沿轴承圆周方向成倍扩展,且深度进一步增大,滚动体也出现了不同程度的疲劳剥落。
02
转速机加载系统监测结果
03
金属屑末监测结果
金属屑末传感器位于试验润滑系统回油出口附近管路上,6次试验的金属屑末增长量监测结果如图7所示并见表4 由此可知,金属屑末增长总量约为 9500个(含润滑系统自循环时的增长量)。其中,前 5次试验的单次增长量差异不大,屑末增长主要集中在试验开始阶段,运行稳定后屑末增长趋于平缓。在进行最后一次试验时,屑末显著增长,单次增长量近似于前 5次试验的总和。
轴承温度监测结果
在试验轴承外圈设置 2处温度测点,实时监测轴承温度,结果如图9所示。 由此可知,试验轴承温度的变化趋势基本相同且与运行工况有直接关系。轴承运行稳定后,温度基本保持在 150~190℃,随着轴承剥落区域的逐渐增大,轴承在大状态下的温度进一步升高,最高为202 ℃
转子振动监测结果
振动传感器位于试验器主体试验轴承附近的外壳体表面,可同时监测转子x、y、z,3 个方向的振动情况,转子振动时域监测结果如图 10 所示 根据轴承剥落前及剥落初期的振动监测结果可知,主体振动的时域幅值通常<3g。由于本文的试验轴承为已剥落轴承,主体振动相对较大。从图 10 中可见,试验进行2h的时域最大幅值约为+35g;当试验分别进行 4、6、10h后的时域最大幅值约为±150±200g,且幅值趋于平稳;随后幅值开始出现明显增长,且从单一方向的增长变为 3方向共同增长试验进行 14h的时域最大幅值达到约±20g;试验进行18h 的时域最大幅值已达到约±620g,分析认为轴承剥落已达到非常严重的程度。
04
结论
0 1
轴承试验件在出现疲劳剥落损伤后的一段时间内仍能继续工作,没有发生抱轴或更加严重的机械损坏,故轴承温度并未显著提高
0 2
在试验进行至16- 18 h 期间时轴承现急速剥落状态,金属屑末增长量、转子振动指标均进一步恶化,如果继续试验极易造成试验器损坏,并且轴承有可能出现更为严重的失效形式。由此推 断经过18h试验后,轴承已达到了剥落扩展极限
0 3
通过本次试验初步掌握了航空发动机主轴轴承在出现疲劳剥落损伤后的性能,以及在剥落扩展过程中各项监测指标的响应情况,由试验结果可知 对 金属屑末含量的监测可用于直接判断轴承是否剥落 ; 对 转子振动特性的监测可用于分析轴承是否具有剥落趋势,起到预警作用 对 后续发动机地面试车或飞行时轴承的状态监测具有重要的参考价值 。
来源: 航空发动机
总审:牛辉
责编:陶鹏
编辑:陈慧宁
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为满足高性能航空发动机在高温燃气环境下长时间使用要求,碳化硅基自愈合陶瓷基复合材料(SHCMC)正朝着抗高温水蒸气侵蚀的方向发展。本文首先从SHCMC的应用要求出发,阐述了 SHCMC的结构设计原则;并以近年来SHCMC的氧化研究进展为出发点,详细综述了目前SHCMC所面临的挑战;在此基础上,从提高自愈合玻璃相高温水蒸气条件下稳定性出发,介绍了目前SHCMC的研究进展。一种在水蒸气条件下具有宽温区高效愈合能力的陶瓷基复合材料符合未来发展的趋势。
关键词:航空发动机;陶瓷基复合材料;热端部件;自愈合;抗氧化性能;高温水蒸气;玻璃相;高温稳定性
DOI:10.16080/j.issn1671-833x.2023.19.048
作者 单庆亮1,胡建宝2,李浩林1,杨笑言1,苟凌轩1,陈建军1
(1. 浙江理工大学,杭州 310018;2. 中国科学院上海硅酸盐研究所,上海 201899)
随着航空工业的不断发展,新一代飞机需具备超机动性、超音速巡航、低油耗、低环境污染等优异性能,而这很大程度上需要通过提升航空发动机性能来实现。作为现代航空工业皇冠上最闪耀的一颗明珠,就军用领域航空发动机而言,未来主要发展趋势是进一步提高平均级压比和推重比,而对于民用航空发动机而言,降低油耗、提高安全性、进一步提高增压比和 涵道比 是主要发展方向,因此,进一步提高发动机燃烧室温度和降低结构部件质量对于实现上述目标至关重要。
这对发动机涡轮叶片、尾喷管调节片、燃烧室衬底和火焰稳定器等航空发动机的主要热结构部件提出了更为严苛的要求:在高温、高压、应力及湿氧等条件下保证可靠性及较长的使用寿命。
目前,高温合金材料存在耐温较低、密度大且需要复杂冷却系统等缺点,已无法满足未来航空发动机发展的需求。连续碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(SiCf/SiC)具有低密度、耐高温、抗氧化、高比强度、高比模量、非脆性断裂失效等众多优点,因此,将替代部分高温合金,成为新一代高性能航空发动机热端部件的重要候选材料。
陶瓷基复合材料优异的非脆性断裂行为主要是通过对纤维 / 基体之间界面相进行优化,使其具有诱导基体裂纹在纤维表面偏转来实现,最为典型的界面相为热解碳(PyC)。复合材料结构组元多、非均质、 各向异性 ,导致材料中存在大量孔隙和裂纹,裂纹或气孔会成为氧气的扩散通道,一旦氧气通过气孔和基体裂纹扩散并与纤维、界面发生反应,复合材料将会失去非脆性断裂行为(脆化),进而导致灾难性破坏。实际服役条件下,复合材料会承受循环应力作用,基体和界面中会产生裂纹,使氧气扩散通道显著增加,从而加速复合材料的失效。
因此,为了提高复合材料的使用寿命,纤维与界面的保护至关重要,这需要复合材料具有自愈合功能,在高温氧化过程中,原位生成自愈合玻璃相将裂纹填充,阻止氧化介质对界面及纤维进行侵蚀。为实现上述目的,对自愈合组元提出如下要求:其一,快速的玻璃相生成能力,减少裂纹愈合前氧化介质对纤维和界面的侵蚀;其二,所生成玻璃相具有合适的黏滞流动能力,以提高裂纹愈合效果;其三,所生成玻璃相具有较高的介质扩散阻力,以减弱氧化介质的扩散。满足上述要求的自愈合组元物质主要是一些含硼物质,如硼单质、硼碳化合物、硅硼化物和硅硼碳化物等,这些含硼相组分可在较宽温度范围的氧化气氛下形成氧化物玻璃相(如 B2O3、B2O3–SiO2),玻璃相在毛细管力作用下填充并愈合复合材料内部裂纹和缺陷,阻止氧气扩散,进而保护易氧化的组分。氧化产生的B2O3可在500~900 ℃对复合材料提供有效的保护,而富硅的B2O3–SiO2则可在更高的温度(900~1200 ℃)保护复合材料。在航空发动机运行过程中,碳烃化合物燃烧会产生大量的水蒸气,约占燃气体积的5%~10%,自愈合陶瓷基复合材料(SHCMC)的实际应用环境为高温水氧环境,为满足航空发动机热端部件的使用要求,SHCMC需满足高温、水蒸气/氧气、复杂应力等耦合条件下的长时间使用要求。本文将对SHCMC的结构设计原则、现阶段 SHCMC 面临的挑战及提高SHCMC高温水蒸气条件下裂纹愈合能力的方法三方面的研究进展进行介绍。
自愈合陶瓷基复合材料结构设计原则
1. 界面设计
纤维 / 基体之间的界面设计应满足应用的所有要求,包括承受高温氧化气氛及彼此之间热学兼容性。对于界面层的材料选择,应优先选择层状材料,如PyC、BN及MAX相等。虽然MAX相具有良好的层状结构、抗氧化性和自愈合能力,但其结晶取向和易解理面通常垂直于纤维方向,因此很难作为界面候选材料。
为了提高复合材料抗氧化性,可通过向PyC界面中添加硼以使其具有自愈性。硼添加有两种作用:①改善PyC的各向异性;②增加PyC界面相的抗氧化性(硼可氧化产生B2O3以愈合裂纹)。另外,用BN界面代替PyC界面 ,六方BN具有层状晶体结构,氧化生成的B2O3可在不大于1100 ℃的范围内对裂纹进行有效愈合。
具有层状晶体结构的材料非常有限,目前,层状概念已从晶体结构层面延伸至微观结构层面,例如多层界面,不但包含裂缝偏转材料(如PyC/BN),而且包含氧化后易形成玻璃相的材料(如TiC、SiC或B4C)。为了获得最佳的自愈性能和裂纹偏转效果,每一层的厚度通常为几nm或几十nm。这种多层界面具有以下优点:①多界面的存在使裂缝偏转的可能性大幅增加;②SiC部分取代了PyC或六方BN,使易氧化相减少。另外,当这些界面处于氧化气氛时还具有自愈合功能:由BN或 B4C 氧化形成的液态玻璃相在毛细管力作用下沿裂纹路径对其进行封填,或由SiC氧化形成的固相氧化物堵塞局部纳米尺度的裂纹,使纳米尺度裂纹在更短时间或更低的温度被氧化物愈合,从而显著提高复合材料寿命。如Naslain等的研究表明,在600 ℃的应力作用下(复合材料完整率为40%时),具有多层自愈合界面的SiC/SiC复合材料比仅有PyC界面的复合材料的使用寿命从30h提升至140h。
2. 自愈合基体设计
为使基体获得自愈合性能,同样可将含硼化合物引入至基体中,比如B4C,根据复合材料中自愈合组元的分布方式,可将陶瓷基复合材料的基体结构分为多元弥散自愈合和多元多层自愈合两种:
①多元多层自愈合基体是将SiC、B4C或Si–B–C交替沉积形成层状结构,包裹于纤维表面,如法国 Snecma 公司已成功将具有多元多层自愈合基体的陶瓷基复合材料应用于航空发动机中;
②弥散自愈合结构是将含硼组分(如B单质、B4C等)以颗粒弥散形式引入至SiC基体中,当基体出现裂纹时,裂纹附近的含硼组分发生氧化并将裂纹愈合。Cao等利用浆料浸渍法(Slurry infiltration)将 B4C颗粒引入Cf /SiC中,并通过反应熔渗(RMI)制备出致密的Cf/SiC–SiBC复合材料,考察其在不同温度下(800℃、1000℃和1200℃)的抗氧化性能。
结果表明,Cf/SiC–SiBC复合材料在所考察温度区间氧化后的强度保留率均高于Cf/SiC。其中B2O3可在相对较低的温度(500~1000 ℃)有效发挥作用,而富SiO2的玻璃相在相对较高的温度(1000~1500 ℃)下更有效。因此,在氧化气氛中形成的硼硅酸盐玻璃相可在氧化初始阶段有效填充基体裂纹,可极大限制氧气向易氧化的纤维和界面区域的扩散,从而提高复合材料的使用寿命。如在高温空气疲劳测试中(1200℃,0.1 Hz,120MPa),Ruggles-Wrenn等研究发现,具有自愈合基体的SiC/SiC–B4C 复合材料比SiC/SiC复合材料的使用寿命从10h大幅提升至221h。
现阶段自愈合陶瓷基复合材料面临的挑战
无论材料所处何种温度和环境,自愈过程均需首先形成玻璃相,玻璃相在毛细管力的作用下填充基体中的裂纹,填充于裂纹的玻璃相会限制氧气介质向复合材料内部扩散,当沿裂纹的基体成分发生氧化而产生氧气消耗时,这种扩散受到进一步限制。虽然自愈合基体/界面在一定温度范围内可有效愈合裂纹,但仍存在一定的局限,例如在空气气氛下,自愈合玻璃相B2O3在大于900 ℃时熔体黏度显著降低并开始挥发,对复合材料的保护作用下降;而SiC组元在超过1000℃时才开始氧化,虽然B2O3能加速SiC的氧化并降低其氧化温度,但初期形成的硼硅酸盐(B2O3–SiO2)的黏度反而会降低,因此氧气在B2O3–SiO2玻璃熔体中的扩散速度更快,使复合材料的氧化加速。随着B2O3的不断挥发,玻璃相中SiO2含量逐渐增加,熔体的黏度开始上升,对复合材料的保护作用逐渐改善。
然而在航空发动机运行过程中,碳烃化合物燃烧会产生大量的水蒸气,SHCMC的实际应用环境为高温水氧环境。此环境下,B4C和SiC会与水蒸气发生如下反应。
B2O3可在600 ℃与水蒸气发生反应形成易挥发物质,同时,B2O3与H2O的反应也会加速B4C的氧化,由于B2O3的大量消耗致使其愈合裂纹能力大幅减弱。高温时,水蒸气的存在同样会加速 SiC的氧化以及SiO2的损耗。此外,B2O3在B2O3–SiO2 中的活度近似理想活度,SiO2的引入并不能显著降低B2O3的挥发。Jacobson等的研究表明,在700℃、10%H2O/O2环境下的H3B3O6蒸汽压比1%H2O/O2环境下高两个数量级。由于水蒸气的存在,玻璃相会严重消耗,导致裂纹自愈合能力下降。如图所示,在高温水蒸气条件下,SHCMC中的裂纹与孔洞很难得到愈合。并且 Ruggles-Wrenn等研究发现,SiCf /SiC–B4C复合材料在水蒸气存在下的高温抗蠕变能力显著弱于空气气氛。
针对含硼SHCMC在高温水蒸气环境下裂纹愈合能力较差的缺陷,目前国内外科研人员主要从两方面着手解决:一是设计多层自愈合基体或涂层;二是选用高温抗氧化性能更好的Si–B–C–N作为自愈合基体。虽然上述优化在一定程度上提高了SHCMC内部的裂纹愈合能力,如多层自愈合基体或涂层可使复合材料内部裂纹部分或几乎愈合,但复合材料表面裂纹很难愈合。而Si–B–C–N自愈合基体氧化后所形成的SiO2氧化层容易析晶,由于SiO2与基体的热失配,使得表面氧化层易开裂和剥离,因此在循环氧化下,复合材料的整体抗氧化能力同样会显著下降。含硼SHCMC在不同氧化条件下的裂纹愈合能力如表1统计所示。
从表1中可以看出,在空气气氛下,复合材料表面和内部的裂纹均可完全愈合。然而,在水蒸气存在的条件下,复合材料内部裂纹虽然可以部分愈合,但其表面裂纹很难愈合。其主要原因为:在水蒸气的侵蚀过程中,自愈合玻璃相(B2O3–SiO2)的网络结构受到破坏致使其稳定性变差,因此,为了提高SHCMC在高温水蒸气条件下愈合裂纹的能力,必须强化玻璃相(B2O3–SiO2)网络结构以提高其在高温水蒸气环境下的稳定性。
提高自愈合陶瓷基复合材料抗高温水氧侵蚀的方法
SHCMC在高温水蒸气条件下裂纹愈合能力下降的本质是自愈合玻璃相在此环境下的稳定性较差(B2O3易挥发,SiO2易析晶),导致无足够玻璃相将裂纹愈合。若使自愈合玻璃相在高温水蒸气条件下的稳定性得到提高,则复合材料在此条件下的裂纹愈合能力必定大幅改善。
1. 自愈合玻璃相 ——硅酸盐玻璃
自愈合玻璃相主要由硼/硅酸盐玻璃组成,其中硅酸盐玻璃是由硅氧四面体SiO4以顶点相连而组成的三维架构网络,这些网络不像石英晶体那样远程有序,却是其他二元、三元、多元硅酸盐玻璃结构的基础。根据无规则网络学说,可将氧化物分为网络生成体氧化物、网络外体氧化物和中间体氧化物3大类。不同氧化物的单键强度如表2所示。
① 网络生成体氧化物
可单独生成玻璃,在玻璃中能形成特有网络结构。M—O键(M代表网络生成离子)为离子、共价混合键,M—O单键能比较大,一般超过80 kcal/mol,阳离子(M)配位数一般是3或4,阴离子O2–的配位数为2。
单纯含有SiO2和B2O3的熔体,由于它们的结构差异较大,其中前者为框架结构,后者是层状结构),因此不能形成均匀一致的熔体。高温冷却过程中,将会各自富集,形成互不相溶的两相玻璃(分相),因此二者在高温下很难相互限制彼此的挥发。张成弢等在研究高温下SiO2–B2O3二元系组元的活度中发现,SiO2的含量并不会明显引起B2O3的活度曲线负偏,B2O3与SiO2的活度曲线近似于理想曲线。
② 网络外体氧化物
不能单独生成玻璃,不参与玻璃网络结构,一般处于玻璃网络之外。M—O键(M 代表玻璃网络外离子)主要为离子键,电场强度小,单键能小于60kcal/mol。因M—O键的离子性强,其氧离子O2–易摆脱阳离子约束,是“游离氧”的重要提供者。适量的网络外体氧化物添加会对B2O3的挥发起一定限制作用。戴长红等测定了CaO–B2O3 体系中B2O3的活度,如图所示,随着CaO含量的增加,B2O3的活度曲线存在明显的负偏(试验温度1450℃)。Stolyarova等在MgO–B2O3体系活度研究中发现,MgO会使B2O3的高温活度大幅降低。从上述研究中可以得出结论,网络外体氧化物可降低熔融态下B2O3的活度,而SiO2对B2O3的活度不会产生较大影响。
适当网络外体氧化物的加入是产生上述现象的主要原因,会改变氧化硼的结构,吸收游离氧后,硼氧三角体BO3会转变为硼氧四面体BO4,其结构从层状转变为框架,从而降低B2O3在高温下的活度。若加入网络外体氧化物过多,多提供的“游离氧”反而又会破坏BO4之间的“桥氧”,使得硼酸盐玻璃中的桥氧含量下降,玻璃的稳定性降低,氧化硼的活度升高,而上述现象也被称为“硼反常”现象。虽然适当地加入网络外体氧化物会提高B2O3的稳定性,但是这些游离氧的存在也会严重破坏SiO2的网络结构,减少SiO2熔体中桥氧数量,降低其黏度。表3为不同网络外体氧化物给出游离氧的本领。
③ 中间体氧化物
一般不能单独生成玻璃,作用一般介于网络生成体和网络外体之间,单键能在60~80kcal/mol之间,配位数一般为6,但在获取“游离氧”后,阳离子配位数变为4。当配位数为4时,会进入玻璃的网络结构中,起补网作用。常见的网络中间体氧化物有Al2O3、BeO、TiO2、ZnO2、Ga2O3等,中间体氧化物同时存在给出和夺取“游离氧”的本领。一般来说,电场强度越大,夺取能力越大,而电场强度越小,则给出能力越大,中间体离子大致按BeO4>AlO4>GaO4>TiO4>ZnO4顺序夺取“游离氧”。
通过上述分析发现,网络中间体氧化物由于具有特殊的结构特性及价键特性,可吸收硼硅酸盐玻璃熔体中的“游离氧”,使其自身结构由MO6转变为MO4,以此修补因水蒸气侵蚀而破损的硅酸盐网络结构,提高自愈合玻璃相的高温水蒸气条件下的稳定性。
2. 中间体氧化物在提高玻璃相高温稳定性方面的应用
自愈合玻璃相受水蒸气侵蚀时,水分子所提供的游离氧(羟基)会破坏硼硅酸盐玻璃中的桥氧,导致其稳定性下降。若能将游离氧吸收,则硼硅酸盐玻璃的高温稳定性必将大幅提升。根据无规则网络学说,氧化物可分为玻璃网络生成体、玻璃网络外体和玻璃网络中间体(Al2O3、TiO2、ZnO2、Ga2O3 等),在一定条件下,玻璃网络中间体会参与玻璃网络结构形成,从而修补破损的玻璃网络。
Lee等在固体氧化物电池密封( SOFC )材料的研究中发现,Al2O3的添加有利于提高硼硅酸盐玻璃的热稳定性,如图8(a)显示;随着Al2O3的加入,含有较多桥氧的Q2振动峰有明显增强趋势。Nagai等的研究表明,B2O3在Al2O3+B2O3混合液相中的活度表现出明显负偏(温度为1373~1423 K)。Chu等研究发现,Al2O3加入至B2O3 中后,BO4的峰开始出现(图8(b)),说明Al2O3提高了硼酸盐玻璃的稳定性。Alvari等在ZrB2–SiC–B4C的氧化试验中发现,1700℃氧化时,由于ZrO2的形成,使氧化层变得相对致密。上述研究表明,玻璃中间体氧化物可提高自愈合玻璃相的高温稳定性。
目前为止,已有从提高自愈合玻璃相高温稳定性出发对陶瓷基复合材料自愈合性能进行改善的报道。Shan等通过浆料浸渍工艺将Al2O3引入SiC/SiC–B4C陶瓷基复合材料的基体中,研究了改性前后复合材料在1100~1200℃高温水蒸气条件下的氧化行为,发现,Al2O3可显著限制SiO2析晶,且改性后的SiC/SiC–B4C陶瓷基复合材料氧化层更加光滑致密;进一步对复合材料进行预制裂纹后发现,经Al2O3改性后的陶瓷基复合材料的表面裂纹和内部裂纹可迅速愈合,且复合材料氧化后的强度保留率显著提高,与此同时,短期氧化时,Al2O3改性后复合材料氧化层表面依然可检测到 B2O3的存在。Miao等利用溶胶凝胶法制备了SiBCNZr陶瓷,研究了其在1500℃的抗氧化性能,研究结果表明,随着氧化时间延长,由于B2O3的挥发会在氧化层中形成许多小孔,ZrSiO4的形成可以有效抑制SiO2玻璃相的挥发。Luan等通过CVI工艺制备了C/SiC–SiHfBCN复合材料,并研究了其在 1200~1400℃水蒸气条件下的自愈合能力,由于HfSiO4的形成,使得SiO2–HfO2玻璃体系的黏度和热稳定性得以提升,提高了复合材料的自愈合性能。
结论
目前,SHCMC面临的主要挑战是自愈合玻璃相在高温水蒸气条件下的稳定性较低,导致无充足玻璃相愈合裂纹,因此改善自愈合玻璃相的高温稳定性是提高 SHCMC裂纹愈合效率的关键。近年来的研究虽在一定程度上提高了SHCMC在高温水蒸气条件下的裂纹愈合效率(玻璃相的稳定性),但单一改性物质对自愈合玻璃相的有效作用温度范围有限,如Al基通常作用范围为1000~1300℃,Zr基和Hf基等通常作用范围大于1300℃,因此,如何提高SHCMC在宽温区水蒸气条件下裂纹愈合效率依然是目前SHCMC研究的重点,也是SHCMC得以大规模应用的关键。将多种改性物质同时引入陶瓷基复合材料的基体或相应自愈合涂层中,有望实现陶瓷基复合材料在宽温区的高效自愈合。
SHCMC愈合效率的提升与很多因素有关,除上面所提到的提升自愈合玻璃相高温稳定性外,也可从缩小裂纹尺寸方面入手。裂纹愈合的驱动力为毛细管力,裂纹尺寸越小,毛细管力越大,裂纹越容易被玻璃相填充,与此同时,裂纹尺寸越小,所填充玻璃相与外界接触的反应面积越小,从而越不容易被水蒸气完全侵蚀而挥发失效。如果在基体内引入纳米增强机制(SiC纳米线、BN纳米管和C纳米管等)强化基体,提升SHCMC 基体的损伤容限,约束裂纹扩展,缩小裂纹尺寸,也可成为提升SHCMC 裂纹愈合效率的重要途径。
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