具有优异高温相稳定性和抗高温水蒸气腐蚀能力的镱钬双硅酸盐固溶体陶瓷材料及制备方法技术

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和抗高温水蒸气腐蚀能力的镱钬双硅酸盐(Yb1‑

【技术实现步骤摘要】
具有优异高温相稳定性和抗高温水蒸气腐蚀能力的镱钬双硅酸盐固溶体陶瓷材料及制备方法


[0001]本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和抗高温水蒸气腐蚀能力的镱钬双硅酸盐(Yb1‑
x
Ho
x
)2Si2O7固溶体粉体、块体陶瓷材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]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工作条件越来越苛刻。新一代高推重比空发动机热端部件表面温度将达到1400℃以上，远超了现有高温合金材料所能承受的温度极限。因此，发展更耐高温的先进结构材料成为研制下一代高推重比航空发动机的关键之一。碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(SiC
f
/SiC)具有低密度、高强度、优异的耐温性和抗氧化性等特点，是应用于高推重比航空发动机关键热端部件的新兴结构材料。SiC
f
/SiC在高温干燥环境下，表面生成一层致密稳定的SiO2，可以阻止材料进一步氧化。但在航空发动机苛刻燃气环境中，SiO2保护层与高温水蒸气反应生成易挥发的Si(OH)4等物质，导致基体材料被快速消耗，严重限制了SiC
f
/SiC材料的可靠应用。为解决该问题，需要在复合材料表面涂敷耐水氧腐蚀的环境障涂层。早期的环境障涂层为BSAS体系(1
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xBaO
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xSrO
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Al2O3‑
2SiO2,0≤x≤1)，其具有热膨胀系数匹配好，硅活度较低，抗水蒸气腐蚀性能良好的优点，但是在1300℃以上，BSAS与碳化硅复合材料氧化生成的SiO2发生共晶反应，生成低熔点玻璃相而失去保护作用，无法满足高温度长时间的服役要求。因此新型耐高温环境障涂层材料是新一代航空发动机研发的关键技术之一。
[0003]近年来，稀土双硅酸盐(RE2Si2O7)被认为是最具应用前景的环境障涂层材料。镱双硅酸盐(Yb2Si2O7)具有优异的高温刚性，良好的损伤容限，与碳化硅复合材料非常接近的热膨胀系数，较低的高温热导率，从室温至熔点不存在相变等优点，是目前本领域重点发展的涂层体系(田志林，几种稀土硅酸盐陶瓷的预测、制备和性能研究，中国科学院大学博士学位论文，2016)；研究表明含钬硅酸盐表现出最优的抗高温水蒸气腐蚀能力(Z.L.Tian,et al.J.Am.Ceram.Soc.2019(102)3076
‑
3080)，但是钬双硅酸盐(Ho2Si2O7)存在多种晶型(Y.X.Luo,et al.J.Eur.Ceram.Soc.2018(38)3547
‑
3554)，高温诱发的晶型转变可引起涂层脱落失效。因此，研发高温稳定的抗水氧腐蚀稀土双硅酸盐材料是应对新一代航空发动机工作温度高、水蒸气腐蚀强和热循环应力大的关键。
[0004]稀土硅酸盐经固溶改性，可以显著提升综合性能，例如(Y1‑
x
Yb
x
)2SiO5，(Ho1‑
x
Y
x
)2SiO5等固溶体材料显示出更高的杨氏模量、剪切模量，高温强度和更低的高温热导率等(Z.L.Tian,et al.Acta Mater.2018(144)292
‑
304,Z.L.Tian,et al.Scientific Reports，DOI:10.1038/s41598
‑
018
‑
36883
‑
2)；对于稀土双硅酸盐，(Y
x
Yb1‑
x
)2Si2O7,(Y
x
Lu1‑
x
)2Si2O7和(Y
x
Sc1‑
x
)2Si2O7在特定的成分范围内依然能保持其优异的相稳定性(A.I.Becerro et al.J.Solid.State.Chem.2011(184)1882
‑
1889,J.Eur.Ceram.Soc.2006
(26)2293
‑
2299,J.Solid.State.Chem.2007(180)1436
‑
1445)。据此，本专利技术研发镱钬双硅酸盐固溶体材料，经稀土元素固溶优化获得高温相稳定性好和抗高温水蒸气腐蚀性能优的新型环境障涂层材料。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种镱钬双硅酸盐(Yb1‑
x
Ho
x
)2Si2O7固溶体材料及其制备方法，使该材料兼具Yb2Si2O7陶瓷材料较好的力学和热学性能、相稳定性和Ho2Si2O7陶瓷材料优异的抗水蒸气腐蚀能力。
[0006]本专利技术的技术方案如下：
[0007]一种具有优异高温相稳定性和抗高温水蒸气腐蚀能力的镱钬双硅酸盐固溶体陶瓷材料，镱钬双硅酸盐固溶体化学式为(Yb1‑
x
Ho
x
)2Si2O7，其中，Ho取代Yb的原子摩尔量x的取值范围为0<x<1。
[0008]所述的镱钬双硅酸盐固溶体陶瓷材料，镱钬双硅酸盐固溶体陶瓷材料晶体结构在室温至1550℃范围内保持稳定。
[0009]所述的具有优异高温相稳定性和抗高温水蒸气腐蚀能力的镱钬双硅酸盐固溶体陶瓷材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
[0010]1)以氧化镱、氧化钬和二氧化硅粉末作为原料，使化学式(Yb1‑
x
Ho
x
)2Si2O7中，(Yb1‑
x
Ho
x
)：Si：O的摩尔比为2：2：7，其中Ho取代Yb的原子摩尔量x的取值范围为0<x<1；
[0011]2)镱钬双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8～24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，最后得到纯净镱钬双硅酸盐固溶体陶瓷粉体材料；
[0012]3)镱钬双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；将步骤2)无压烧结合成的镱钬双硅酸盐固溶体陶瓷粉体材料，经物理机械方法球磨10～24小时，经干燥、过筛后，装入石墨模具中冷压成型，在通有保护气氛的热压炉内进行热压烧结，最后得到纯净镱钬双硅酸盐固溶体陶瓷块体材料。
[0013]所述的镱钬双硅酸盐固溶体陶瓷材料的制备方法，氧化镱、氧化钬和二氧化硅粉末的纯度≥99.9wt％，原始粒度范围在200～800目。
[0014]所述的镱钬双硅酸盐固溶体陶瓷材料的制备方法，无压烧结采用常压在空气气氛下进行。
[0015]所述的镱钬双硅酸盐固溶体陶瓷材料的制备方法，无压烧结的工艺参数如下：升温速率为5～15℃/分钟，烧结温度为1300～1600℃，保温时间为4～12小时，经过无压烧结得到镱钬双硅酸盐固溶体陶瓷粉体材料的粒度为0.本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有优异高温相稳定性和抗高温水蒸气腐蚀能力的镱钬双硅酸盐固溶体陶瓷材料，其特征在于，镱钬双硅酸盐固溶体化学式为(Yb1‑
x
Ho
x
)2Si2O7，其中，Ho取代Yb的原子摩尔量x的取值范围为0<x<1。2.按照权利要求1所述的镱钬双硅酸盐固溶体陶瓷材料，其特征在于，镱钬双硅酸盐固溶体陶瓷材料晶体结构在室温至1550℃范围内保持稳定。3.一种权利要求1或2所述的具有优异高温相稳定性和抗高温水蒸气腐蚀能力的镱钬双硅酸盐固溶体陶瓷材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：1)以氧化镱、氧化钬和二氧化硅粉末作为原料，使化学式(Yb1‑
x
Ho
x
)2Si2O7中，(Yb1‑
x
Ho
x
)：Si：O的摩尔比为2：2：7，其中Ho取代Yb的原子摩尔量x的取值范围为0<x<1；2)镱钬双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8～24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，最后得到纯净镱钬双硅酸盐固溶体陶瓷粉体材料；3)镱钬双硅酸盐固溶体陶瓷块体材料采用无压烧结合成
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热压烧结两步法制备；将步骤2)无压烧结合成的镱钬双硅酸盐固溶体陶瓷粉体材料，经物理机械方法球磨10～24小时，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王京阳，张洁，吕熙睿，孙鲁超，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：