高温相稳定多组元稀土硅酸盐固溶体陶瓷及其制备方法技术

本发明专利技术涉及极端环境用陶瓷材料领域，具体为一种具有优异高温相稳定性的多组元稀土硅酸盐固溶体陶瓷材料及其制备方法。该多组元稀土硅酸盐固溶体陶瓷材料的化学式为(RE

High temperature phase stabilized multicomponent rare earth silicate solid solution ceramics and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
高温相稳定多组元稀土硅酸盐固溶体陶瓷及其制备方法
本专利技术涉及极端环境用热障/环境障涂层高温结构陶瓷领域，具体为一种具有优异高温相稳定性能的多组元稀土硅酸盐固溶体陶瓷材料(REI0.25REII0.25REIII0.25REIV0.25)2Si2O7及其制备方法。
技术介绍
随着航空发动机对更高推重比的追求，发动机热端部件面临的环境越来越苛刻。碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(SiCf/SiCm)具有低密度、高强度、优异的耐温性和抗氧化性等特点，在发动机热结构部件方面具有广阔的应用前景。SiCf/SiCm陶瓷基复合材料在极端燃气环境中应用时，需要在其表面涂敷环境障涂层以大幅度提升发动机的长期服役稳定性。目前商业应用的环境障涂层为BSAS(1-xBaO-xSrO-Al2O3-2SiO2,0≤x≤1)。BSAS具有低的热膨胀系数和杨氏模量，表现出优异的抗裂性，使得涂层具有良好的耐用性，因此在低于1300℃的温度下BSAS仍是环境障涂层的首选材料。但是新型高推重发动机内部运行温度高于1400℃，此时BSAS会与陶瓷基体氧化生成的SiO2发生共晶反应，生成低熔点玻璃相而失去保护作用。因此探索研发新型耐高温热障/环境障一体化涂层材料是目前新一代发动机研发的关键技术之一。近年来，一类名为“稀土硅酸盐”新材料(RE2Si2O7)由于具有低密度，低热膨胀系数、低热导率和较好的抗热震性能而备受关注，被认为是最具应用前景的硅基陶瓷热障/环境障一体化涂层候选材料之一(L.R.Turcer,etal.Towardsmultifunctionalthermalenvironmentalbarriercoatings(TEBCs)basedonrare-earthpyrosilicatesolid-solutionceramics,ScriptaMaterialia154(2018)111–117)。但是目前已知稀土硅酸盐材料RE2Si2O7具有多达7种晶型，除了β型Yb2Si2O7和Lu2Si2O7之外，其它RE2Si2O7材料均会随温度的变化发生多晶型转变，而多晶型之间的转变通常伴随着体积变化，将导致材料内部应力的产生，加速材料的失效(J.Felsche,StructureandBonding,Vol.13,Springer,Berlin,1973)。因此目前针对稀土硅酸盐作为热障/环境障一体化涂层的应用研究发现，Yb2Si2O7或Lu2Si2O7两种材料是已知ER2Si2O7体系中综合性能最优的选择(H.B.Zhao,etal.Moltensilicatereactionswithplasmasprayedytterbiumsilicatecoatings,Surface&CoatingsTechnology288(2016)151–162；L.R.Turcer,etal.Towardsmultifunctionalthermalenvironmentalbarriercoatings(TEBCs)basedonrare-earthpyrosilicatesolid-solutionceramics,ScriptaMaterialia154(2018)111–117)。但是Yb和Lu这两种稀土元素是已知稀土元素中密度最大的，这与未来新型发动机的减重设计要求有所冲突；且这两种元素(尤其是Lu元素)的储量和价格限制了其大规模应用。已有研究发现：通过合理选择和设计稀土硅酸盐中稀土元素的种类和固溶量，可以在含稀土固溶体材料中实现性能的提升(A.J.Fernandez-Carrion,etat,SolidsolubilityofYb2Si2O7inβ-,γ-andδ-Y2Si2O7,J.SolidStateChem.184(2011)1882.)，但是这种二元固溶的方法，能够固溶其他元素的比例有限，突破该“上限值”将导致材料发生β型向γ型或δ型晶型的转变。本专利技术采用了多组元等比例固溶的方法，并通过选取能够形成β型结构RE2Si2O7的稀土元素(Y、Sc、Ho、Er、Tm、Yb和Lu)，获得了高温相结构稳定的β型(REI0.25REII0.25REIII0.25REIV0.25)2Si2O7多组元稀土硅酸盐固溶体陶瓷材料。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供多组元稀土硅酸盐(REI0.25REII0.25REIII0.25REIV0.25)2Si2O7固溶体陶瓷及其制备方法，制备出具有高纯度、高致密度和优异高温相稳定性能的(REI0.25REII0.25REIII0.25REIV0.25)2Si2O7陶瓷材料。本专利技术的技术方案如下：一种高温相稳定多组元稀土硅酸盐固溶体陶瓷，多组元稀土硅酸盐固溶体化学式为(REI0.25REII0.25REIII0.25REIV0.25)2Si2O7，其中REI、REII、REIII和REIV分别为稀土元素Y、Sc、Ho、Er、Tm、Yb和Lu中的一种。所述的高温相稳定多组元稀土硅酸盐固溶体陶瓷，多组元稀土硅酸盐固溶体陶瓷材料为β型结构，且该结构在室温至2000℃范围内保持稳定。所述的高温相稳定多组元稀土硅酸盐固溶体陶瓷的制备方法，具体步骤如下：1)以氧化钇粉、氧化钪粉、氧化钬粉、氧化铒粉、氧化铥粉、氧化镱粉、氧化镥粉中的四种，以及氧化硅粉为原料，使化学式(REI0.25REII0.25REIII0.25REIV0.25)2Si2O7中(REI0.25REII0.25REIII0.25REIV0.25)：Si：O的摩尔比为2：2：7，其中REI：REII：REIII：REIV的摩尔比＝0.25：0.25：0.25：0.25；REI、REII、REIII和REIV分别为稀土元素Y、Sc、Ho、Er、Tm、Yb和Lu中的一种；多组元稀土硅酸盐固溶体陶瓷块体材料采用无压烧结合成-热压烧结两步法制备；2)多组元稀土硅酸盐固溶体陶瓷粉体材料采用无压烧结合成方法制备：以乙醇为介质，将原始粉料进行球磨混合2～24小时形成浆料，浆料经烘干、过筛后所得粉末在马弗炉中无压烧结合成，升温速率为5～15℃/分钟，合成温度为1500～1650℃，合成时间为0.5～20小时，最后得到纯净多组元稀土硅酸盐固溶体陶瓷粉体材料；3)将无压烧结合成的多组元稀土硅酸盐固溶体陶瓷粉体材料，经物理机械方法球磨2～24小时，经干燥、过筛后，采用石墨模具进行预冷压成型，施加压强为3～20MPa；在通有保护气氛的热压炉内进行热压烧结，升温速率为5～20℃/分钟，烧结温度为1750～2000℃、烧结时间为0.5～2小时、烧结压强为20～40MPa。所述的高温相稳定多组元稀土硅酸盐固溶体陶瓷的制备方法，氧化钇粉、氧化钪粉、氧化钬粉、氧化铒粉、氧化铥粉、氧化镱粉、氧化镥粉和氧化硅粉的纯度≥99.9wt％，原始粒度≤80目。所述的高温相稳定多组元稀土硅酸盐固溶体陶瓷的制备方法，物理机械方法混合采用在酒精介质下的球磨法。所述的高温相稳定多组元稀土硅酸盐固溶体陶瓷的制备方法，无压烧结合成本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高温相稳定多组元稀土硅酸盐固溶体陶瓷，其特征在于，多组元稀土硅酸盐固溶体化学式为(RE

【技术特征摘要】
1.一种高温相稳定多组元稀土硅酸盐固溶体陶瓷，其特征在于，多组元稀土硅酸盐固溶体化学式为(REI0.25REII0.25REIII0.25REIV0.25)2Si2O7，其中REI、REII、REIII和REIV分别为稀土元素Y、Sc、Ho、Er、Tm、Yb和Lu中的一种。


2.按照权利要求1所述的高温相稳定多组元稀土硅酸盐固溶体陶瓷，其特征在于，多组元稀土硅酸盐固溶体陶瓷材料为β型结构，且该结构在室温至2000℃范围内保持稳定。


3.一种权利要求1或2所述的高温相稳定多组元稀土硅酸盐固溶体陶瓷的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
1)以氧化钇粉、氧化钪粉、氧化钬粉、氧化铒粉、氧化铥粉、氧化镱粉、氧化镥粉中的四种，以及氧化硅粉为原料，使化学式(REI0.25REII0.25REIII0.25REIV0.25)2Si2O7中(REI0.25REII0.25REIII0.25REIV0.25)：Si：O的摩尔比为2：2：7，其中REI：REII：REIII：REIV的摩尔比＝0.25：0.25：0.25：0.25；REI、REII、REIII和REIV分别为稀土元素Y、Sc、Ho、Er、Tm、Yb和Lu中的一种；多组元稀土硅酸盐固溶体陶瓷块体材料采用无压烧结合成-热压烧结两步法制备；
2)多组元稀土硅酸盐固溶体陶瓷粉体材料采用无压烧结合成方法制备：以乙...

【专利技术属性】
技术研发人员：王京阳，孙鲁超，罗颐秀，吴贞，杜铁峰，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21