一种耐高温水蒸汽腐蚀的超高温陶瓷材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种耐高温水蒸汽腐蚀的超高温陶瓷材料及其制备方法和应用。耐高温水蒸汽腐蚀的超高温陶瓷材料由以体积百分含量计为70～81％的ZrB2、4～6％的TiB2和15～25％的SiC组成。所述制备方法为：将ZrB2、TiB2和SiC通过球磨混合均匀，得到混合料；将混合料进行热压烧结，然后经冷却，制得所述超高温陶瓷材料；热压烧结温度为1800～2000℃，热压烧结压力为25～35MPa，热压烧结时间为0.5～2h。本发明专利技术通过在超高温陶瓷材料中添加形核组元TiB2对其进行改性，使得材料在高温氧化过程中能够形成TiSiO4氧化层，改善了材料的SiO2氧化层易与水蒸汽发生反应，从而烧蚀破坏的问题。从而烧蚀破坏的问题。从而烧蚀破坏的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种耐高温水蒸汽腐蚀的超高温陶瓷材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于超高温陶瓷材料
，尤其涉及一种耐高温水蒸汽腐蚀的超高温陶瓷材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]发动机是各类航空、航天飞行器的核心部件，发动机的推重比、燃油经济性、可靠性是飞行器性能的决定性因素。随着飞行器技术的不断发展，对发动机推重比的要求不断提高，提高推重比主要的途径就是采用热值更高的燃料，提高发动机的燃烧室温度。推重比为15～20的发动机，燃烧室温度需要达到2000～2200℃。不断提高的温度，对发动机燃烧室的材料提出了更高的要求，且需要对高热值燃料燃烧所产生的水蒸汽有一定的防护能力。目前可用于发动机燃烧室的材料主要有镍基高温合金、C/SiC复合材料以及超高温陶瓷材料等。
[0003]在航空发动机燃烧室中，镍基高温合金是目前使用最普遍的耐高温材料，普通的锻造镍基高温合金耐温极限通常低于1000℃，通过定向凝固合金技术或者单晶合金技术，可以将镍基高温合金的耐温极限提高至1100℃，且对水蒸汽不敏感。通过进一步引入先进的陶瓷热障涂层可以将耐温减小提升至1200℃，依靠在发动机叶片内部设计先进的气膜冷却通道，可以使得高温合金的工作温度进一步提高近400℃，达到1600℃，从而大大提高了燃气轮机的推重比和燃烧效率。虽然，镍基高温合金在航空发动机、燃气轮机中被广泛应用，特别是单晶叶片性能稳定，可满足发动机长时间运转的需求，但在面向未来的发动机燃烧室应用中存在以下两个不足，限制了其进一步应用：a.材料的耐温极限低，单晶镍基高温合金叶片的耐温极限约为1100℃，由于合金材料自身特性的限制，导致其不可能应用于更高的温度，相比于铸造材料和定向晶材料，单晶已是这类材料其耐温极限；b.由于材料自身的耐温极限较低，提高材料的耐温极限依赖于冷却气膜，然而气膜冷却系统在降低叶片温度的同时，也会进一步增加发动机的负担，各式气孔的增加使得叶片的结构越来越复杂，对叶片的成型工艺造成更大困难。
[0004]C/SiC复合材料具有耐高温、高强度、抗氧化、耐烧蚀等优异的性能，与高温合金相比，只有其密度的～1/5。C/SiC复合材料在高温氧化环境中，表面可生成致密的SiO2保护层，使得其抗氧化性、抗烧蚀等均优于C/C复合材料，具有较宽的使用温度范围，可在1650℃以下可以长时间使用，主要用于航空发动机、火箭发动机和空天飞行器的热防护系统。美国制造的燃气涡轮发动机燃烧室，法国幻影2000战斗机和狂风战斗机上，使用的M55发动机和M88航空发动机喷嘴，都是采用C/SiC复合材料。欧洲Ariane卫星发射用火箭的排气锥和火箭喷管，NASA刘易斯研究中心研制的新型液体火箭发动机等都采用了C/SiC复合材料。C/SiC复合材料具有比镍基合金更高的耐温极限，在航空发动机、固态燃料发动机、常规液体发动机等方面有较多应用，但是其在未来的高推重比发动机应用中主要存在以下两点不足：a.耐水蒸汽腐蚀能力不强，大量研究表明，在水蒸汽与氧气混合的水氧高温环境下，C/
SiC复合材料的氧化速率会提高一个数量级以上，且随着温度升高至1400℃以上，其表面的致密SiO2层会因水的腐蚀会成为多孔状，失去对基体的保护能力，导致氧化进一步加速；b.耐温极限较低，即便在无水的干氧化环境中，C/SiC复合材料的耐温极限仅为1650℃，不能满足未来高推重比发动机2000℃以上的工作温度需求。
[0005]超高温陶瓷材料(UHTC)泛指熔点超过3000℃的过度金属锆、铪、钽的硼化物、碳化物和氮化物。在所有的超高温陶瓷中，ZrB2具有较低的密度、较高的热导率和较好的抗氧化性，其中ZrB2‑
SiC超高温陶瓷材料具有更加优异的综合性能，可在2000℃氧化环境中长时间保持稳定，被认为是超燃冲压发动机燃烧室、高推重比火箭发动机的理想候选材料。在氧化环境中，材料氧化形成的B2O3、SiO2、ZrO2等氧化物在抗氧化过程中起到了至关重要的作用，1300
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1600℃范围内，表面形成的硼硅酸盐玻璃具有良好的表面自愈合性，有效阻挡氧化介质向复合材料内部的扩散，从而为材料提供长时间的保护。在1600
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2200℃范围内，表面形成氧化硅和锆硅酸盐玻璃保护层能有效抵御高温氧化介质的侵蚀，从而提高了超高温陶瓷材料的氧化防护能力和抗烧蚀性能。超高温陶瓷材料在高温干氧化环境中，可在2200℃或者更高的温度下长时间保持稳定，具备良好的抗烧蚀、耐氧化性能。然而在含水蒸汽的湿氧化条件下，由于材料中的关键抗氧化组元B2O3、SiO2对水蒸汽较为敏感，易与水蒸汽发生反应，形成挥发性产物(HBO2、Si(OH)4)，导致材料的氧化速率大大加快，易发生快速烧蚀。而在未来的高推重比液体燃料发动机中，燃烧温度高且水蒸汽含量大，会造成超高温陶瓷防热材料的快速烧蚀。
[0006]因此，以上三种典型的发动机热防护材料，镍基高温合金和C/SiC复合材料由于材料自身耐温极限的限制，难以应用于未来高推重比发动机环境；超高温陶瓷材料的耐温极限可满足高推重比发动机的需求，但其对燃气环境中的水蒸汽防护能力较差，若能提高其水蒸汽防护能力，有望成为于未来高推重比发动机热防护材料。

技术实现思路

[0007]为了解决现有技术存在的技术问题，本专利技术提供了一种耐高温水蒸汽腐蚀的超高温陶瓷材料及其制备方法和应用。本专利技术有效提高了超高温陶瓷材料在高温氧化环境中对水蒸汽的防护能力，可作为未来高推重比发动机燃烧环境的热防护材料。
[0008]本专利技术在第一方面提供了一种耐高温水蒸汽腐蚀的超高温陶瓷材料，所述耐高温水蒸汽腐蚀的超高温陶瓷材料由以体积百分含量计为70～81％的ZrB2、4～6％的TiB2和15～25％的SiC组成。
[0009]优选地，所述耐高温水蒸汽腐蚀的超高温陶瓷材料经热压烧结工艺制备而成；在热压烧结工艺中，所述热压烧结的温度为1800～2000℃优选为1900℃，所述热压烧结的压力为25～35MPa优选为30MPa，所述热压烧结的时间为0.5～2h优选为1h；优选的是，升至所述热压烧结的温度的升温速率为5～15℃/min；更优选的是，在热压烧结工艺中，进行热压烧结后，采用的冷却程序为：由所述热压烧结的温度以5～15℃/min的降温速率降低至1300℃，然后随炉冷却至室温。
[0010]优选地，所述耐高温水蒸汽腐蚀的超高温陶瓷材料经高温含水蒸汽流场氧化后形成TiSiO4氧化层，由此提高超高温陶瓷材料的耐高温水蒸汽腐蚀性能。
[0011]优选地，所述耐高温水蒸汽腐蚀的超高温陶瓷材料由以体积百分含量计为76％的
ZrB2、5％的TiB2和19％的SiC组成。
[0012]优选地，所述耐高温水蒸汽腐蚀的超高温陶瓷材料由第一超高温陶瓷材料和第二超高温陶瓷材料复合而成。
[0013]优选地，所述第一超高温陶瓷材料由以体积百分含量计为73.5％的ZrB2、5.5％的TiB2和21％的SiC组成；所述第二超高温陶瓷材料由以体积百分含量计为76％的ZrB2、5％的T本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种耐高温水蒸汽腐蚀的超高温陶瓷材料，其特征在于：所述耐高温水蒸汽腐蚀的超高温陶瓷材料由以体积百分含量计为70～81％的ZrB2、4～6％的TiB2和15～25％的SiC组成。2.根据权利要求1所述的耐高温水蒸汽腐蚀的超高温陶瓷材料，其特征在于：所述耐高温水蒸汽腐蚀的超高温陶瓷材料经热压烧结工艺制备而成；在热压烧结工艺中，所述热压烧结的温度为1800～2000℃优选为1900℃，所述热压烧结的压力为25～35MPa优选为30MPa，所述热压烧结的时间为0.5～2h优选为1h；优选的是，升至所述热压烧结的温度的升温速率为5～15℃/min；更优选的是，在热压烧结工艺中，进行热压烧结后，采用的冷却程序为：由所述热压烧结的温度以5～15℃/min的降温速率降低至1300℃，然后随炉冷却至室温。3.根据权利要求1所述的耐高温水蒸汽腐蚀的超高温陶瓷材料，其特征在于：所述耐高温水蒸汽腐蚀的超高温陶瓷材料经高温含水蒸汽流场氧化后形成TiSiO4氧化层，由此提高超高温陶瓷材料的耐高温水蒸汽腐蚀性能。4.根据权利要求1至3中任一项所述的耐高温水蒸汽腐蚀的超高温陶瓷材料，其特征在于：所述耐高温水蒸汽腐蚀的超高温陶瓷材料由以体积百分含量计为76％的ZrB2、5％的TiB2和19％的SiC组成。5.根据权利要求1至3中任一项所述的耐高温水蒸汽腐蚀的超高温陶瓷材料，其特征在于：所述耐高温水蒸汽腐蚀的超高温陶瓷材料由第一超高温陶瓷材料和第二超高温陶瓷材料复合而成。6.根据权利要求5所述的耐高温水蒸汽腐蚀的超高温陶瓷材料，其特征在于：所述第一超高温陶瓷材料由以体积百分含量计为73.5％的ZrB2、5.5％的TiB2和21...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵长浩，肖学仁，张军，王国林，杨玲伟，刘丽萍，马昊军，罗杰，
申请(专利权)人：中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所，
类型：发明
国别省市：