论文部分内容阅读
SiC基复合材料被认为是下一代燃气轮机叶片的理想材料。为了防止SiC基复合材料在快速燃烧环境中的衰退,研究者开发了环境障碍涂层(EBCs)。然而即使是尖端的大气等离子喷涂技术也无法帮助涂层完全避免在服役过程中产生裂纹。如果能实现涂层的裂纹自愈合,将是EBCs发展的一个突破。因此本文决定在EBC的面层候选材料Yb2Si2O7中加入不同体积比(10vol.%、15vol.%、20vol.%)的自愈合颗粒MoSi2,从而制备Yb2Si2O7/MoSi2复相陶瓷。同时传统陶瓷材料性能研究主要依赖于宏观尺度的测试和微观组织特征的定性分析,而缺乏对其微观力学性能的直接研究。因此本文决定对Yb2Si2O7/MoSi2复相陶瓷的微力学行为进行研究。Yb2O3+2.4SiO2在1500℃下煅烧4h后可以获得纯相Yb2Si2O7粉体。在1550℃、30MPa下真空热压烧结获得两相相容性良好的Yb2Si2O7/MoSi2复相陶瓷。使用material studio软件计算得到了Yb2Si2O7和MoSi2的二阶弹性常数、弹性模量、德拜温度、晶格热导率等性能。使用ANSYS计算了复相陶瓷烧结冷却后的整体应变和热应力分布,最大变形量为1.39×10-2mm,应力平均在51~68MPa范围内。使用ABAQUS计算了第二相粒子烧结冷却后和氧化后与基体的热失配应力,烧结冷却后的热失配应力最大为0.84GPa,氧化后的热失配应力最大为0.47GPa,均在基体材料的单向拉伸强度范围内。利用有限元模拟的技术构建了Yb2Si2O7/MoSi2复相陶瓷的单轴压缩模型,研了不同组织界面取向,第二相粒子、气孔等显微组织结构对复相陶瓷应力应变状态的影响。研究结果表明水平界面的等应力结构受软相的应变控制而产生应变不均匀性,屈服强度约为2.85GPa。竖直界面的等应变结构中两相变形相互制约而产生应力不均匀性,屈服强度约为6.70GPa。第二相粒子和气孔在受力时基体附近会产生应力集中效应从而可诱发新的微裂纹,导致裂纹扩展和材料失效。建立了Yb2Si2O7/MoSi2复相陶瓷微悬臂梁模型,通过不同几何状态尖角裂纹模型研究表明:裂纹张开角度增加会增大应力强度,但会降低应力场强度因子,而增大裂纹尖端曲率半径的作用效果与此相反。裂纹深度对应力强度和应力场强度因子的作用具有同步性,应力强度与应力场强度因子随裂纹深度增加迅速增大。裂纹深度为0.8μm时,分别达到1.86GPa和0.98MPa·m1/2。通过嵌入cohesive内聚力单元,初步实现了对Yb2Si2O7/MoSi2复相陶瓷裂纹扩展路径的模拟。