[发明专利]碳化硅纤维高温水氧环境模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及陶瓷纤维技术领域，具体的涉及一种碳化硅纤维高温水氧环境模拟方法。

背景技术

先驱体转化法制备的连续碳化硅纤维(SiCf)具有高强度、高模量、耐高温、易编织等特点，常作为各种复合材料的增强体使用。SiC纤维增强增韧的陶瓷基复合材料(SiCf-CMC)，具有高比强度、高比模量、优异的耐温性能，该材料已被广泛用于先进武器装备、航空航天、原子核能等领域。SiCf-CMC使用在航空发动机上，与传统高温合金相比，能将工作温度提高200℃以上，结构减重30％以上，燃油效率能提高10％以上，可以显著提高发动机的抗疲劳性能，能为每架客机每年节省燃油费达百万美元以上。SiCf-CMC成为了航空发动机实现提高推重比、减轻结构重量、升级换代的首选材料。目前世界上三大航空发动机制造公司，美国的通用电气公司生产的F414发动机，英国的罗尔斯·罗伊斯公司生产的遄达1000实验发动机，以及美国的普拉特·惠特尼公司生产的PW200系列旋翼发动机，均在整个航空发动机或者零部件上使用了SiCf-CMC材料。在后续的LEAP系列等航空发动机上，将在更多高温部件上使用SiCf-CMC。

航空发动机工作时，由于燃料燃烧产物的释放，燃烧达到平衡时会在燃烧室内有10％左右的水蒸气产生。这意味着SiCf-CMC将暴露在高温水氧耦合的环境中。尽管在正常使用条件下，SiC纤维作为主要起增强增韧的复合材料支架，并不会直接接触到环境介质。但是在复合材料的实际制备中，不可避免地在复合材料基体中留下缺陷。同时SiC纤维与基体物理参数的不同，SiCf-CMC在高温服役过程中也会形成微裂纹，氧化介质会迅速通过这些缺陷和微裂纹扩散至纤维表面，导致部分纤维接触到高温介质。介质中含有的氧、水分等，在高温作用下，造成SiC纤维迅速氧化，导致SiC纤维强度严重下降。而目前使用较为广泛的，以Hi-Nicalon为代表的第二代SiC纤维，在空气气氛1200℃下保温1小时后，强度保留率仅为50％左右。纤维氧化后强度严重下降，对整个燃烧室构件乃至整个发动机的安全都造成了隐患，SiC纤维的高温氧化行为，不仅影响着SiCf-CMC的使用寿命，更关系着整个构件的安全运行。

目前，国外已经商品化的SiC纤维主要包括：日本碳公司的Nicalon系列SiC纤维、日本宇部兴产公司的Tyranno系列SiC纤维和美国COI Ceramic公司的Sylramic纤维。其中，日本碳公司的Hi-Nicalon纤维、Hi-Nicalon S纤维和日本宇部兴产公司的Tyranno SA纤维研究和应用最为广泛，国内外针对这些纤维在静态空气下的高温氧化性能研究较多，针对航空发动机等具体背景，在水氧耦合高温环境下的纤维氧化行为研究较少。国内SiC纤维主要的生产单位包括国防科技大学、厦门大学和苏州赛力菲陶纤有限公司。目前，针对国产SiC纤维水氧环境下的高温氧化行为研究还未见文献报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳化硅纤维高温水氧环境模拟方法，该发明解决了现有技术中无法模拟航空发动机服役环境下的温度和气流场条件，以准确检测SiC纤维该环境下的高温氧化性能的技术问题。

本发明提供一种碳化硅纤维高温水氧环境模拟方法，所用装置包括：氧气源、氩气源、用于产生水氧耦合混合气的蒸汽发生器、用于模拟高温水氧环境的管式炉，蒸汽发生器与管式炉通过管路相连通，待测试样品放置于管式炉内，氧气源和氩气源混合后与蒸汽发生器相连通；

碳化硅纤维高温水氧环境模拟方法包括以下步骤：向放置有待测试样品的管式炉内通入氩气扫除空气后，对管式炉升温达到预定温度后，向管式炉内通入水氧耦合混合气，直至测试完成，之后在氩气氛中冷却待测试样品；氧气源和氩气源混合过程中氧气的流量为10-100mL/分钟，氩气的流量为100-190mL/分钟；预定温度为800-1600℃；蒸汽发生器的转速为150-450r/分钟，温度为60-90℃。

进步一地，管式炉的升温速率为5-20℃/分钟。

进一步地，扫除空气步骤和待测试样品冷却步骤中氩气的通入流量为100-300mL/分钟。

进一步地，装置还包括混合罐，氧气源和氩气源分别通过管路与混合罐相连通，氧气源与混合罐相连通的管路上设置了流量阀；氩气源与混合罐相连通的管路上设置流量阀。

进一步地，氩气源与混合罐相连通管路的一端伸入混合罐的底部；氧气源与混合罐相连通的管路的一端伸入混合罐的底部。

进一步地，装置还包括用于对管式炉加热的发热体，发热体设置于管式炉的外侧。