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Microcracks self-healing: A novel strategy to enhance oxidation and
cracking resistance in SiCf/SiC-GH536 brazed joints

微裂紋自愈合：一種提升SiCf/SiC-GH536釬焊接頭抗氧化與抗開裂能力的新策略

作者信息：

Shuai Zhao, Pengcheng Wang, Haiyan Chen, Zhaoyi Pan, Yongsheng Liu, Wenya Li

School of Materials Science and Engineering, State Key Laboratory of Solidification Processing, Northwestern Polytechnical University, Xi'an, 710072, China

Shaanxi Key Laboratory of Friction Welding Technologies, Northwestern Polytechnical University, Xi'an, 710072, China

Xi'an Space Engine Company Limited, Xi'an, 710072, China

Aerospace Science and Technology Corporation, Xi'an, 710072, China

https://doi.org/10.1016/j.tramat.2025.100017

文章介紹：

隨著高性能航空航天技術的飛速發展，對具有優異高溫穩定性和長期服役能力的材料需求日益迫切。噴氣發動機、燃氣輪機等關鍵裝備在高溫、熱沖擊及強氣流等極端環境下運行時，材料的高溫穩定性、抗氧化性和力學性能成為保障安全運行與延長服役壽命的核心要素。因此，開發具有卓越高溫性能的材料已成為科研與工業界的共同目標。

SiCf/SiC復合材料作為新型高溫結構材料，憑借其高熔點、低熱膨脹系數和強抗氧化性等優異特性獲得廣泛應用，尤其在高溫燃氣發動機領域展現出巨大潛力。為拓展其應用范圍，常需與GH536高溫合金等金屬材料實現可靠連接。相較于傳統連接工藝，釬焊技術能顯著提升發動機推重比。然而釬焊接頭在高溫環境下仍存在明顯局限性：長期高溫服役過程中易產生熱裂紋和殘余應力集中，可能導致接頭失效進而危及整體結構的穩定與安全。因此，提升釬焊接頭性能及耐高溫能力已成為當前重點研究方向。

盡管已有大量研究聚焦于復合材料在高溫服役條件下的防護，但針對釬焊焊縫保護的研究仍相對有限。為解決這一問題，我們提出通過施加密封涂層來提升釬焊接頭性能的創新思路。該密封涂層主要發揮三大功能：增強接頭抗氧化性、提升力學強度、改善界面結合力。更重要的是，密封涂層還能實現釬焊接頭裂紋的自愈合，從而有效延長接頭服役壽命。因此，密封涂層的設計與制備已成為提升釬焊接頭高溫性能的關鍵策略。

Er?Si?O?（硅酸鉺）與MoSi?（二硅化鉬）是兩種具有卓越高溫性能的材料，在高溫環境中展現出強抗氧化性和熱穩定性。Er?Si?O?作為典型高溫陶瓷，兼具優異的熱穩定性和抗氧化能力，能在高溫條件下保持物理化學特性的穩定性，并在氧化氣氛中呈現突出的結構穩定性。MoSi?作為一種金屬硅化物，則以其優良的高溫性能、高導熱性、強抗氧化能力和良好的機械性能而著稱。

本研究重點探討Er?Si?O?+MoSi?密封涂層的制備工藝，通過系統分析其微觀結構特征與高溫性能，深入解析涂層在釬焊接頭服役過程中的裂紋自愈合機制，并評估其應用潛力與實踐價值。本工作旨在為提升SiCf/SiC-GH536釬焊接頭耐高溫性能提供理論依據和技術支撐，為航空航天、燃氣輪機等領域的高性能材料應用開辟新的解決途徑。

中文摘要：

本研究提出了一種創新方法，通過在高功率激光增材制造中引入Er?Si?O?與MoSi?復合密封涂層，顯著增強SiCf/SiC-GH536釬焊接頭在高溫條件下的裂紋自愈合能力。該技術的核心創新在于開發出一種既能提升SiCf/SiC復合材料抗氧化性，又能在服役過程中主動修復微裂紋的自愈合機制。通過熱壓燒結制備的Er?Si?O?+MoSi?密封涂層，經系統表征確認其微觀結構與物相組成。在1000℃空氣環境中退火1小時后，涂層裂紋近乎完全愈合，愈合相產生的5.89%體積膨脹有效阻礙了裂紋擴展。此外，帶涂層釬焊接頭的剪切強度達到54.7 MPa，較未涂層接頭提升35.7%。研究揭示的自愈合機制包含兩個連續過程：MoSi?氧化生成SiO?填充裂紋，隨后SiO?與Er?SiO?反應形成Er?Si?O?，產生的壓應力促進裂紋閉合并增強接頭完整性。本工作為高性能釬焊接頭設計提供了理論依據，為通過主動裂紋修復提升陶瓷-金屬復合接頭在高溫氧化環境下的可靠性與服役壽命開辟了新途徑。