摘要：航空发动机推重比是衡量发动机能力的综合指标之一，而涡前温每提高100℃，推力可增加20%以上。SiC/SiC陶瓷基复合材料具有高比刚度/比强度、耐高温及抗氧化的优异特性，可显著提升推重比。虽然SiC/SiC在高温下能够形成保护性氧化物层以提供优异的耐热性，但这

一、导读

航空发动机推重比是衡量发动机能力的综合指标之一，而涡前温每提高100℃，推力可增加20%以上。SiC/SiC陶瓷基复合材料具有高比刚度/比强度、耐高温及抗氧化的优异特性，可显著提升推重比。虽然SiC/SiC在高温下能够形成保护性氧化物层以提供优异的耐热性，但这些氧化物层在高温高湿条件下容易与水蒸气反应，生成气态的Si-O-H，从而迅速挥发。此外，在高盐度环境中，Na、Ca、Mg、Al等典型盐类容易与氧化物层反应并引起腐蚀。环障涂层（EBC）的引入可保护SiC/SiC免受环境腐蚀。然而，航空发动机服役时吸入沙尘等固体颗粒物后会对带环障涂层的SiC/SiC（EBC-SiC/SiC）造成冲蚀损伤。目前，对于这种侵蚀机制的研究尚不充分。

近日，中科院SCI一区TOP期刊Ceramics International发表了西北工业大学与空军工程大学合作的论文“Solid particle erosion of an environmental barrier coating and chemically vapor infiltrated SiC/SiC for aeroengine”。文章研究了涂覆EBC的SiC/SiC航空发动机部件在固体粒子侵蚀（SPE）下的力学行为。通过实验观察了粒子侵蚀对材料的影响，并利用有限元方法模拟了侵蚀过程，为提高材料抗侵蚀性能提供了理论依据。

二、内容简介

文中环障涂层为大气等离子喷涂Si/Yb2Si2O7/Yb2SiO5，SiC/SiC复合材料的纤维为第三代SiC纤维，工艺为CVI工艺。如图1所示，实验选取100μm和500μm两种SiO2砂，冲蚀角度90度，冲蚀速度分别为108m/s、120m/s、150m/s、180m/s及240m/s。

图1 研究背景、材料、实验装置及矩阵。

研究发现EBC受100μm砂粒冲蚀的质量损失与砂粒动能呈E=ΦUb关系，Φ=1.0×10-8， b=1.09，EBC冲蚀呈渐变损伤，有明显的损伤-时间关系，如图2所示。

图2 EBC质量损失变化规律及破坏形貌。

采用100μm和500μm两种砂分别考核了SiC/SiC质量损失变化规律，发现Φ=3.0×10-6，b=-0.161，以及基体从纤维剥离后纤维失去支撑后被剪断的冲蚀机理，如图3所示。

图3 SiC/SiC质量损失变化规律及破坏形貌。

随后，研究人员提出了适用于砂粒冲蚀SiC/SiC的本构及损伤演化策略，建立了细观有限元冲蚀模型，有效模拟了损伤过程并补充了机理内容，如图4所示。

图4 模型与结果。

三、小结

文章通过实验研究了EBC-SiC/SiC受砂粒高速冲蚀的损伤规律及机理，并提出了适用于该材料和载荷的本构与渐进损伤策略，为航空发动机用SiC/SiC的服役行为及预测方法提供了研究和设计参考。

原始文献：

Yancheng Liu, Shiguang Wang, Tengfei Yang, Bin Liu*, Yongsheng Liu, Weifeng He, Laifei Cheng. Solid particle erosion of an environmental barrier coating and chemically vapor infiltrated SiC/SiC for aeroengine. Ceramics International,Volume 50, Issue 20, Part B,2024,Pages 39993-40004

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责任编辑：复小可

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来源：老王说科学