[发明专利]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

说明书

本发明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(Yb_1‑xHo_x)₂Si₂O₇固溶体陶瓷材料及其制备方法。镱钬双硅酸盐固溶体陶瓷材料的化学式为(Yb_1‑xHo_x)₂Si₂O₇，其中x的取值范围为0x1。制备过程具体为：以氧化镱粉、氧化钬粉和二氧化硅粉为原料，经湿法混合，在空气气氛下无压烧结合成获得镱钬双硅酸盐固溶体陶瓷材料；并可在通有保护气氛的热压炉内热压烧结，获得镱钬双硅酸盐固溶体陶瓷块体材料。本发明制备出具有高纯度、优异高温相稳定性、优异抗高温水蒸气腐蚀能力的(Yb_1‑xHo_x)₂Si₂O₇固溶体陶瓷材料。

技术领域

本发明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(Yb_1-xHo_x)₂Si₂O₇固溶体粉体、块体陶瓷材料及其制备方法。

背景技术

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-xBaO-xSrO-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。

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,etal.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。