王西, 王克杰, 柏輝, 宋卓林, 王波, 張程煜

化學氣相滲透2D-SiCf/SiC復合材料的蠕變性能及損傷機理

王西1,2, 王克杰1, 柏輝1, 宋卓林1,2, 王波3, 張程煜1,2

(西北工業(yè)大學 1. 超高溫結(jié)構(gòu)復合材料重點實驗室; 2. 西北工業(yè)大學–斯洛伐克科學院聯(lián)合研究中心; 3. 航空學院, 西安 710072)

研究了采用化學氣相滲透工藝制備2D-SiCf/SiC復合材料的真空蠕變性能, 蠕變溫度為 1200、1300和1400 ℃, 應力水平范圍為100~140 MPa。用掃描電子顯微鏡(SEM)和高分辨透射電子顯微鏡(TEM)分別觀察分析了2D-SiCf/SiC復合材料的蠕變斷口形貌和微觀結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明, 2D-SiCf/SiC復合材料的主要蠕變損傷模式包括基體開裂、界面脫粘和纖維蠕變。橋接裂紋的纖維發(fā)生蠕變并促進了基體裂紋的張開、位移增大, 進一步導致復合材料蠕變斷裂, 在復合材料蠕變過程中起決定性作用。2D-SiCf/SiC復合材料的蠕變性能與SiC纖維微觀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性密切相關。在1200 ℃/100 MPa時, 纖維晶粒沒有長大, 復合材料的蠕變斷裂時間大于200 h; 蠕變溫度為1400 ℃時, 纖維晶粒明顯長大, 2D-SiCf/SiC復合材料蠕變斷裂時間縮短至8.6 h, 穩(wěn)態(tài)蠕變速率增大了三個數(shù)量級。

2D-SiCf/SiC復合材料; 蠕變性能; 蠕變損傷; SiC纖維

連續(xù)碳化硅纖維增強碳化硅復合材料(SiCf/SiC)具有耐高溫、高比強、高比模、抗熱震和抗燒蝕等優(yōu)異性能, 同時克服了陶瓷的脆性和可靠性差等弱點, 因而在航空航天飛行器的熱結(jié)構(gòu)部件中具有廣闊的應用前景, 同時作為耐熱事故燃料包殼材料在核能領域中也有應用潛力[1-2]。

從20世紀90年代至今, 研究人員對SiCf/SiC復合材料的高溫蠕變行為進行了大量研究。Morscher等[3-5]研究了不同類型碳化硅纖維(包括: Hi-Nicalon, Hi-Nicalon Type S, Tyranno SA, Sylramic-iBN)為增強體的SiCf/SiC復合材料的蠕變性能。結(jié)果表明, 纖維類型顯著影響SiCf/SiC復合材料的蠕變性能, Sylramic-iBN纖維增強的SiCf/SiC復合材料的蠕變性能最佳。Dicarlo等[6]用Monkmann-Grant公式統(tǒng)一了SiCf/SiC復合材料、SiC纖維及基體的蠕變速率和斷裂時間, 揭示了SiCf/SiC的蠕變由纖維蠕變和基體裂紋擴展控制。Vicens等[7]對Nicalon-SiCf/SiC復合材料在蠕變過程中的微觀結(jié)構(gòu)演變進行了研 究, 結(jié)果表明在高于1200 ℃的蠕變過程中纖維晶粒發(fā)生了再結(jié)晶。上述研究結(jié)果表明在SiCf/SiC復合材料蠕變過程中SiC纖維起著重要作用。SiC纖維與SiCf/SiC復合材料蠕變性能的關系還需進一步研究。

為此, 本研究開展了以平紋編織碳化硅纖維布為增強體的SiCf/SiC(2D-SiCf/SiC)真空蠕變試驗, 蠕變溫度范圍為1200~1400 ℃, 應力范圍為100~ 140 MPa。利用SEM和TEM分別觀察蠕變試樣斷口和微觀結(jié)構(gòu), 從而揭示SiCf/SiC復合材料的蠕變損傷機理。

1 實驗方法

1.1 實驗材料

本試驗所用材料為2D-SiCf/SiC復合材料。增強體為平紋編織碳化硅纖維布, 采用的SiC纖維性能如表1所示。界面為BN, 由化學氣相沉積(CVD)方法制備。由化學氣相滲透(CVI)方法制備SiC基體。獲得的2D-SiCf/SiC復合材料的性能見表2。將制備好的材料加工成圖1所示的蠕變試樣。

1.2 蠕變實驗

在超高溫蠕變試驗系統(tǒng)(RDL50, 長春試驗機研究所)上進行蠕變試驗, 真空度為~10–3Pa。將試樣加熱至試驗溫度(1200、1300和1400 ℃), 保溫30 min后施加蠕變載荷開始蠕變試驗, 蠕變應力范圍為100~140 MPa。蠕變過程中記錄變形–時間曲線。

表1 SiC纖維的基本性能

表2 SiCf/SiC復合材料的基本性能

圖1 2D-SiCf/SiC的蠕變試樣形狀與尺寸

1.3 微觀分析

蠕變試驗完成后, 利用SEM (Hitachi S4700,日本)觀察試樣的表面裂紋和斷口形貌。利用TEM (Tecnai F30 G2, FEI)分析典型蠕變試樣的微觀結(jié)構(gòu)。透射電鏡樣品由聚焦離子/電子雙束電鏡(FIB, Helios G4 CX, FEI)制備。

2 實驗結(jié)果

2.1 蠕變曲線

圖2為2D-SiCf/SiC復合材料在1200 ℃不同應力條件下的蠕變曲線。該曲線主要由減速蠕變階段和穩(wěn)態(tài)蠕變階段兩部分組成。隨著蠕變應力的增大, 穩(wěn)態(tài)蠕變階段縮短甚至消失。如1200 ℃/140 MPa條件下, 其蠕變曲線還出現(xiàn)了加速蠕變階段。在其它溫度條件下也呈現(xiàn)出類似規(guī)律。

表3列出了2D-SiCf/SiC復合材料在不同蠕變條件下的蠕變結(jié)果。在1200 ℃/100 MPa條件下, 2D- SiCf/SiC蠕變斷裂時間為216 h, 穩(wěn)態(tài)蠕變速率為6.1×10–9s–1。隨著溫度升高和應力增大, 蠕變斷裂時間縮短, 穩(wěn)態(tài)蠕變速率增大。在1400 ℃/100 MPa條件下, 蠕變性能下降最為顯著, 蠕變斷裂時間縮短為8.6 h, 穩(wěn)態(tài)蠕變速率增大至1.5×10–6s–1。

圖2 2D-SiCf/SiC在1200 ℃不同應力條件下的蠕變曲線

表3 2D-SiCf/SiC復合材料的蠕變性能

2.2 蠕變損傷

圖3為2D-SiCf/SiC復合材料在不同條件下蠕變試樣標距段的宏觀照片。從圖3中可以看出, 試樣斷裂后, 其表面均分布著肉眼可見的橫向裂紋, 即裂紋方向垂直于應力且平行于斷口, 并沿試樣厚度方向擴展。此外, 在宏觀斷口上還觀察到不同程度的纖維拔出。橫向裂紋說明2D-SiCf/SiC在蠕變過程中發(fā)生了嚴重的基體開裂以及裂紋張開。宏觀可見的纖維拔出說明蠕變過程中界面性能發(fā)生了退化。

圖3 不同蠕變條件下2D-SiCf/SiC試樣的宏觀斷口照片

對SiCf/SiC試樣表面的橫向裂紋數(shù)目和纖維拔出長度進行統(tǒng)計可知, 蠕變斷裂時間越長的試樣, 表面裂紋數(shù)目越多, 拔出纖維越長。在1200 ℃/100 MPa條件下, 標距內(nèi)橫向裂紋數(shù)量達到13條, 纖維拔出長度約為10 mm。而在1400 ℃/100 MPa條件下, 裂紋數(shù)目只有8條, 并且斷口比較平齊, 纖維拔出較短。纖維拔出長度與纖維/基體界面結(jié)合強度密切相關, 弱界面結(jié)合強度有利于纖維拔出[8]。因此可以推斷: 在蠕變過程中, 纖維/基體界面結(jié)合強度隨著蠕變時間的延長而降低。

圖4顯示了1200 ℃/100 MPa蠕變試樣表面裂紋的張開情況?？梢钥吹皆嚇恿鸭y張開位移為100 μm左右, 纖維橋接基體裂紋。此時基體裂紋張開或擴展和纖維橋接處于動態(tài)平衡[9], 一方面橋接纖維抑制基體裂紋擴展, 另一方面纖維蠕變導致橫向裂紋張開距離增大, 促進裂紋擴展。因此基體發(fā)生開裂后, 2D-SiCf/SiC復合材料蠕變性能由纖維性能決定。

根據(jù)前面關于斷口形貌和纖維橋接裂紋現(xiàn)象的分析, 可以推測出2D-SiCf/SiC復合材料的蠕變損傷過程: 首先產(chǎn)生基體裂紋, SiC纖維橋接這些基體裂紋; 隨后纖維/基體界面脫粘, 應力由基體傳遞到纖維, 橋接裂紋的纖維發(fā)生蠕變并促進基體裂紋的擴展; 最后纖維斷裂, 導致2D-SiCf/SiC復合材料斷裂。該過程與Chermant等[10]的研究結(jié)果一致。

3 分析與討論

3.1 應力指數(shù)和蠕變激活能

穩(wěn)態(tài)蠕變速率與應力和溫度之間的關系可由公式(1)表示[11]:

其中, A1為與材料本身相關的常數(shù), n為應力指數(shù), Qc為蠕變激活能, R為氣體常數(shù)。當溫度一定時, 可由lgε和lgσ關系曲線的斜率計算得到應力指數(shù); 當應力一定時, 可由lgε和1/T的關系曲線的斜率計算得到蠕變激活能。

由2.2節(jié)可知, 蠕變過程中產(chǎn)生貫穿基體裂紋后, 應力基本由纖維承擔。本實驗所用的2D-SiCf/SiC復合材料中的橫向纖維體積分數(shù)(f1)為20%, 因此纖維應力為加載應力除以f1。根據(jù)式(1)可繪出如圖5所示穩(wěn)態(tài)蠕變速率與纖維應力和溫度的關系曲線。圖5(a)為2D-SiCf/SiC的纖維應力與穩(wěn)態(tài)蠕變速率的關系。本實驗所用的纖維與Hi-Nicalon纖維的力學性能基本一致, 為了分析纖維的蠕變性能, 還繪制了Hi-Nicalon纖維的相關數(shù)據(jù)。計算得到2D-SiCf/SiC復合材料中的纖維在1200和1300 ℃的蠕變應力指數(shù)分別為5.8和4.4, 與Hi-Nicalon纖維在相同條件下的應力指數(shù)接近(分別是6和3.1)[12]。上述結(jié)果說明2D-SiCf/SiC復合材料的蠕變斷裂由纖維控制。與2.2中得到的結(jié)果一致。

圖5(b)顯示了2D-SiCf/SiC復合材料在100和140 MPa條件下穩(wěn)態(tài)蠕變速率與溫度的關系。根據(jù)公式(1)計算得到2D-SiCf/SiC復合材料在100和140 MPa的蠕變激活能分別為501.6和439.8 kJ/mol, 可以看出應力越大, 蠕變激活能越低。碳原子和硅原子在-SiC晶粒內(nèi)的擴散激活能分別為841和912 kJ/mol[13], 可知復合材料的蠕變激活能小于碳原子和硅原子擴散所需要的激活能量, 說明2D- SiCf/SiC復合材料蠕變不是由原子擴散機制決定的。結(jié)合2.2中的蠕變試樣裂紋張開位移比較大, 纖維拔出可達10 mm的試驗現(xiàn)象, 可以推測材料蠕變變形主要是與孔洞的形成和裂紋的張開有關。

圖5 穩(wěn)態(tài)蠕變速率ε與應力σ和溫度T之間的關系

3.2 微觀結(jié)構(gòu)分析

前述分析都表明2D-SiCf/SiC復合材料的蠕變性能由纖維決定, 為了進一步研究2D-SiCf/SiC復合材料蠕變機制, 利用TEM分析了2D-SiCf/SiC原始試樣和蠕變試樣的微觀結(jié)構(gòu)。

圖6為原始態(tài)2D-SiCf/SiC復合材料的TEM照片、纖維HRTEM照片及SAED圖譜。從圖6(a)可以看出, 纖維主要由黑色-SiC小晶粒和非晶相構(gòu)成, 纖維表面有一層300 nm左右的富碳層?；w由結(jié)晶度很高的柱狀-SiC晶體構(gòu)成, 亞晶粒長度可達100 nm。圖6(b)顯示了SiC纖維的HRTEM照片, 可以看出SiC纖維晶粒呈等軸狀, 分散在褶皺狀的PyC和SiCO非晶中。SiC纖維的SAED圖呈多晶環(huán)狀, 說明纖維中的SiC晶粒為納米晶。

圖7顯示了兩種蠕變條件下試樣中SiC纖維的HRTEM照片和SAED圖譜。與原始試樣相比, 在1200 ℃/100 MPa條件下, SiC纖維中的PyC有序度增強, 未觀察到位錯和層錯等缺陷。在1400 ℃/100 MPa條件下, SiC晶粒明顯長大, 纖維結(jié)晶度增強。圖8統(tǒng)計了原始態(tài)和不同條件蠕變后2D-SiCf/SiC復合材料中纖維的SiC晶粒尺寸分布規(guī)律。原始態(tài)和1200 ℃/100 MPa蠕變后的SiC晶粒尺寸范圍為4~12 nm, 平均尺寸約為8.0 nm。SiC晶粒沒有明顯長大, 微觀結(jié)構(gòu)基本保持穩(wěn)定。經(jīng)1400 ℃/100 MPa蠕變后, 纖維中的SiC晶粒平均尺寸約為11.5 nm, 最大晶粒尺寸為16 nm。說明在1400 ℃, 發(fā)生了SiCO非晶相向-SiC的轉(zhuǎn)變, 并使得SiC晶粒長大[14]。

圖6 2D-SiCf/SiC復合材料原始試樣的TEM照片

圖7 2D-SiCf/SiC復合材料蠕變后SiC纖維的HRTEM照片及其衍射圖譜

圖8 2D-SiCf/SiC復合材料不同蠕變條件下的SiC纖維晶粒尺寸分布圖

結(jié)合纖維的微觀結(jié)構(gòu)和復合材料的蠕變性能分析可知, 2D-SiCf/SiC復合材料的蠕變性能與SiC纖維微觀結(jié)構(gòu)密切相關。1200 ℃/100 MPa條件下, 纖維微觀結(jié)構(gòu)保持基本穩(wěn)定, 2D-SiCf/SiC蠕變性能較為優(yōu)異。1400 ℃/100 MPa條件下, 纖維晶粒發(fā)生長大, 蠕變性能急劇下降。由Hall-Petch公式可知, SiC纖維的晶粒越大, 其強度越低。相關研究[15]也表明在1400 ℃及以上溫度退火后, SiC纖維晶化和晶粒迅速長大, 導致纖維拉伸強度急劇下降。因此, 在1400 ℃較高溫度下, 纖維強度降低, 損傷加劇, 導致復合材料蠕變性能顯著降低。

4 結(jié)論

1)隨著溫度的升高和應力的增大, 2D-SiCf/SiC復合材料蠕變性能下降, 其蠕變斷裂時間縮短, 穩(wěn)態(tài)蠕變速率增大。1200 ℃/100 MPa時, 蠕變斷裂時間為216 h, 穩(wěn)態(tài)蠕變速率為6.1′10–9s–1; 1400 ℃/ 100 MPa時, 蠕變斷裂時間縮短為8.6 h, 穩(wěn)態(tài)蠕變速率增大至1.5′10–6s–1。

2)在2D-SiCf/SiC復合材料蠕變過程中, 首先產(chǎn)生基體裂紋, SiC纖維橋接基體裂紋; 同時纖維/基體界面結(jié)合強度降低, 導致界面脫粘; 纖維蠕變促進基體裂紋張開、位移進一步增大, 最后發(fā)生蠕變斷裂。

3) 2D-SiCf/SiC復合材料的蠕變性能與SiC纖維的微觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性密切相關。1200 ℃/100 MPa時, 纖維微觀結(jié)構(gòu)基本保持穩(wěn)定, 2D-SiCf/SiC蠕變性能優(yōu)異; 1400 ℃/100 MPa時, 纖維晶粒明顯長大, 結(jié)晶度提高, 2D-SiCf/SiC的蠕變性能急劇下降。

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Creep Properties and Damage Mechanisms of 2D-SiCf/SiC Composites Prepared by CVI

WANG Xi1,2, WANG Kejie1, BAI Hui1, SONG Zhuolin1,2, WANG Bo3, ZHANG Chengyu1,2

(1. Science and Technology on Thermostructural Composite Materials Laboratory, Northwestern polytechnical University, Xi’an 710072, China; 2. NPU-SAS Joint Research Center, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China; 3. School of Aeronautics, Northwestern polytechnical University, Xi’an 710072, China)

The creep properties of 2D-SiCf/SiC composites prepared by chemical vapor infiltration were studied. The creep temperatures were 1200, 1300 and 1400 ℃, and the stress levels ranged from 100 MPa to 140 MPa. Scanning electron microscope was used to observe the fracture morphology, and their microstructure was analyzed by high resolution transmission electron microscope. The results show thatthe creep damage modes of 2D-SiCf/SiC composites mainly include the generation of matrix crack, interfacial debonding and fiber creep. The creep of bridging fibers leads to increase of the opening distance of the matrix cracks and further creep rupture of the composite. The microstructural stability of the SiC fiber plays a critical role in the creep properties of 2D-SiCf/SiC composites. SiC grains in the fibers of 2D-SiCf/SiC composites do not grow when it is crept at 1200℃/100 MPa. However, the grains grow significantly when the creep temperature increases to 1400 ℃. The creep rupture time decreases to 8.6 h from above 200 h, and the steady-state creep rate increases by three orders of magnitude.

2D-SiCf/SiC composite; creep properties; creep damage; SiC fiber

1000-324X(2020)07-0817-05

10.15541/jim20190450

TQ174

A

2019-09-02;

2019-10-27

國家自然科學基金(51572224); 超高溫結(jié)構(gòu)復合材料重點實驗室創(chuàng)新基金(614291105011717)

National Natural Science Foundation of China (51572224); Creative Research Foundation of Science and Technology on Thermostructural Composite Materials Laboratory (614291105011717)

王西(1996–), 女, 碩士研究生. E-mail: wangxi-_nwpu.@163.com

WANG Xi (1996–), female, Master candidate. E-mail: wangxi-_nwpu.@163.com

張程煜, 教授. E-mail: cyzhang@nwpu.edu.cn

ZHANG Chengyu, professor. E-mail: cyzhang@nwpu.edu.cn