權(quán)利要求書： 1.制備具有高溫陶瓷涂層YSZ?RETaO4的SiC基復(fù)合材料的方法，其特征在于：所述高溫陶瓷涂層YSZ?RETaO4的SiC基復(fù)合材料包括SiC基體，所述SiC基體上依次設(shè)有過渡層和陶瓷涂層，陶瓷涂層的成分為YSZ(x)?(RETaO4)(1?x)，所述方法包括以下步驟：步驟1：稱取氧化鋁、氫氧化鋁、磷酸二氫鋁和氧化鈣，氧化鋁、氫氧化鋁、磷酸二氫鋁和氧化鈣的質(zhì)量比為1～2：3～4：3～4：1～2，與無水乙醇一起進(jìn)行球磨，混合均勻后干燥后過篩；

步驟2：通過步驟1過篩的粉末將SiC基體包埋在氧化鋁瓷舟中，并進(jìn)行高溫煅燒，煅燒溫度為1100～1800℃，煅燒時(shí)間為10～15h，煅燒在保護(hù)氣氛下進(jìn)行，使SiC基體表面形成過渡層；

步驟3：采用大氣等離子噴涂的方法將YSZ和RETaO4粉末噴涂到過渡層表面，其中YSZ與RETaO4粉末在噴涂前混合均勻，YSZ與RETaO4的粒徑為40~50μm，YSZ與RETaO4的質(zhì)量比為1～

2：1～2，形成表面噴涂有YSZ(x)?(RETaO4）(1?x)陶瓷涂層的SiC復(fù)合材料；大氣等離子噴涂的工藝參數(shù)為：噴涂電流為620～690A，電壓為46～52，涂層的厚度為100 400μm。

~

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有高溫陶瓷涂層YSZ?RETaO4的SiC基復(fù)合材料的制備方法，其特征在于：所述步驟1中球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為300～500r/min，球磨時(shí)間為480～600min，干燥過程的溫度為60～80℃，干燥時(shí)間為10～24h，粉末過300 500目篩。

~

說明書： 具有高溫陶瓷涂層YSZ?RETaO4的SiC基復(fù)合材料及其制備方法技術(shù)領(lǐng)域[0001] 本發(fā)明涉及復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及具有高溫陶瓷涂層YSZ?RETaO4的SiC基復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)[0002] 環(huán)境障礙涂層(Environmentbarriercoating，EBC)能夠解決構(gòu)件在燃?xì)猸h(huán)境中長時(shí)間腐蝕和氧化的問題，是目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料研究的熱點(diǎn)，隨著我國航空航天事業(yè)的

不斷進(jìn)步和發(fā)展，高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)已成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的重點(diǎn)。高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)的核心

技術(shù)是提高渦輪前進(jìn)口溫度和減小結(jié)構(gòu)質(zhì)量，然而，傳統(tǒng)的高溫合金材料不僅質(zhì)量大，耐溫

極限有限，越來越難以滿足更高要求的航空發(fā)動(dòng)機(jī)。碳化硅陶瓷基復(fù)合材料不僅低密度、還

具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能及抗氧化性能，正逐步替代高溫合金，應(yīng)用于高推重比航空發(fā)動(dòng)

機(jī)熱端部件，如燃燒室等。

[0003] 然而，碳化硅復(fù)合材料在長時(shí)間服役過程中，不斷氧化和被環(huán)境腐蝕，限制了碳化硅在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。吉林大學(xué)楊洋等采用APS技術(shù)在碳化硅復(fù)合材料表面

成功地制備了Si/Re2SiO5和Si/Re2SiO5/LMA涂層，發(fā)現(xiàn)在1300℃和1400℃時(shí)涂層對(duì)碳化硅

基體具有很好的高溫抗氧化保護(hù)作用。唐山學(xué)院劉大成研究了氧化鋯?碳化硅復(fù)合材料的

高溫氧化性能。中國專利CN201610885971.8公開了一種塊狀高比表莫來石?碳化硅復(fù)合氣

凝膠材料的及其制備方法，制備出莫來石/碳化硅抗氧化復(fù)合氣凝膠材料，中國專利

CN201110374906.6公開了一種碳/碳復(fù)合材料硅酸鋯/碳化硅抗氧化涂層的及其制備方

法，得到碳/碳復(fù)合材料硅酸鋯/碳化硅抗氧化涂層。美國航空航天局(NASA)Glenn研究中心

基于氣態(tài)動(dòng)力學(xué)根據(jù)高壓燃燒環(huán)測試實(shí)驗(yàn)中的溫度、壓力和氣體流速模擬出了SiC/SiC的

損失速率。

[0004] 綜合實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果顯示，在燃?xì)猸h(huán)境中1200℃、1013.25kPa、氣體流速為90m/s，SiC表面的損失速率約為270μm/kh，其中Opila等利用質(zhì)譜儀分析尾氣證實(shí)氧化產(chǎn)物為硅

的氫氧化物；美國橡樹林國家實(shí)驗(yàn)室(ONRL)的More等的研究表明CDSiC與水蒸氣反應(yīng)導(dǎo)

致高的損失率；CSGT項(xiàng)目研究表明，SiC/SiCCMC長期應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室環(huán)境易受到損

傷，性能惡化嚴(yán)重，其結(jié)果是沒有保護(hù)涂層的SiC/SiCCMC在5000h內(nèi)襯里壁厚的90％均被

氧化，這一結(jié)果與NASA、ORNL的研究結(jié)果一致；測試結(jié)果表明，AS?800氮化硅葉片在Rolls?

RoyceAllisonModel501?K渦輪機(jī)上運(yùn)行大約815h后，在葉片拖尾邊緣的中段位置，平均

約有300μm的氮化硅損失因此，解決CMCSiC長時(shí)間腐蝕問題就成為發(fā)展高性能發(fā)動(dòng)機(jī)熱端

構(gòu)件的關(guān)鍵。根據(jù)相關(guān)報(bào)道，關(guān)于碳化硅復(fù)合材料在高溫抗氧化、耐燒蝕方面的研究較少，

也都在1000～1500℃，基于此本發(fā)明重點(diǎn)研究了在碳化硅復(fù)合材料上制備一層環(huán)境障陶瓷

涂層，使其可承受2200～2500℃的高溫條件。

發(fā)明內(nèi)容[0005] 本發(fā)明提供了具有高溫陶瓷涂層YSZ?RETaO4的SiC基復(fù)合材料及其制備方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題。

[0006] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：[0007] 具有高溫陶瓷涂層YSZ?RETaO4的SiC基復(fù)合材料，包括SiC基體，所述SiC基體上依次設(shè)有過渡層和陶瓷涂層，其中過渡層的成分包括氧化鋁、氫氧化鋁、磷酸二氫鋁和鋁硅酸

鹽，陶瓷涂層的成分為YSZ(x)?(RETaO4)(1?x)。

[0008] 本技術(shù)方案的技術(shù)原理和效果在于：[0009] 1、本方案中通過過渡層與YSZ、RETaO4復(fù)合陶瓷涂層的設(shè)置，使得SiC基復(fù)合材料，?1 ?1

其熱導(dǎo)率為0.67～0.82W·m ·K 之間，滿足超高溫(2200～2500℃)以上的使用環(huán)境，材

料的熱導(dǎo)率越低，對(duì)基體材料的保護(hù)效果就越好，使得SiC基復(fù)合材料在超高溫環(huán)境下的使

用壽命延長。

[0010] 2、本方案中氧化鋁、氫氧化鋁和磷酸二氫鋁主要起到粘接SiC基體與MTaO4陶瓷涂?6 ?1

層的作用，而由于碳化硅基體的熱膨脹系數(shù)約為4.5～5.5×10 K ，而YSZ、RETaO4復(fù)合陶瓷

?6 ?1

涂層的熱膨脹系數(shù)約為10～11×10 K ，兩者之間的熱膨脹系數(shù)相差較大，而氧化鋁的熱

?6 ?1 ?6 ?1

膨脹系數(shù)為6.8～7.2×10 K ，鋁硅酸鹽的熱膨脹系數(shù)為7.9～8.5×10 K ，可見氧化鋁與

鋁硅酸鹽的熱膨脹系數(shù)介于碳化硅與YSZ、RETaO4復(fù)合陶瓷涂層之間，使得YSZ、RETaO4復(fù)合

陶瓷涂層與碳化硅基體之間的熱失配應(yīng)力減小，即兩個(gè)涂層之間膨脹系數(shù)越接近，越不容

易因應(yīng)力導(dǎo)致裂紋或開裂的問題發(fā)生，從而提高涂層之間的使用穩(wěn)定性。

[0011] 本發(fā)明還公開了具有高溫陶瓷涂層YSZ?RETaO4的SiC基復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

[0012] 步驟1：稱取氧化鋁、氫氧化鋁、磷酸二氫鋁和氧化鈣，與無水乙醇一起進(jìn)行球磨，混合均勻后干燥后過篩；

[0013] 步驟2：通過步驟1過篩的粉末將SiC基體包埋在氧化鋁瓷舟中，并進(jìn)行高溫煅燒，使SiC基體表面形成過渡層；

[0014] 步驟3：采用大氣等離子噴涂的方法將YSZ和RETaO4粉末噴涂到過渡層表面，形成表面噴涂有YSZ(x)?(RETaO4)(1?x)陶瓷涂層的SiC復(fù)合材料。

[0015] 有益效果：本方案中通過氧化鈣的引入，與碳化硅基體中的硅以及氧化鋁形成具有玻璃相特征的鋁硅酸鹽，這樣的制備工藝，一方面玻璃相鋁硅酸鹽具有一定的填充作用，

在包埋煅燒過程中，鋁硅酸鹽的形成能夠填充孔隙，提高過渡層的致密度；另一方面由于鋁

硅酸鹽的熱膨脹系數(shù)更接近YSZ、RETaO4復(fù)合陶瓷涂層，使得過渡層與陶瓷涂層之間的熱失

配應(yīng)力減小。另外氫氧化鋁與磷酸二氫鋁能夠進(jìn)一步促進(jìn)鋁硅酸鹽玻璃相的形成。

[0016] 進(jìn)一步，所述步驟1中氧化鋁、氫氧化鋁、磷酸二氫鋁和氧化鈣的質(zhì)量比為1～2：3～4：3～4：1～2。

[0017] 有益效果：這樣的比例下得到的過渡層能夠很好的與陶瓷涂層之間進(jìn)行匹配。[0018] 進(jìn)一步，所述步驟1中球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為300～500r/min，球磨時(shí)間為480～600min，干燥過程的溫度為60～80℃，干燥時(shí)間為10～24h，粉末過300～500目篩。

[0019] 有益效果：這樣的條件下，實(shí)現(xiàn)了各種組份的充分混合。[0020] 進(jìn)一步，所述步驟1中煅燒溫度為1100～1800℃，煅燒時(shí)間為10～15h，煅燒在保護(hù)氣氛下進(jìn)行。

[0021] 有益效果：由于煅燒溫度過低，碳化硅中的硅難以與氧化鋁以及氧化鈣反應(yīng)，而溫度過高，會(huì)導(dǎo)致過燒，使得過渡層中出現(xiàn)大量的相變，破壞過渡層材料體系及其性能。

[0022] 進(jìn)一步，所述步驟2中YSZ與RETaO4的質(zhì)量比為1～2：1～2，YSZ與RETaO4的粒徑為40～50μm，YSZ與RETaO4粉末在噴涂上混合均勻。

[0023] 有益效果：將YSZ與RETaO4粉末混合均勻能夠得到成分分布比較均勻的陶瓷涂層。[0024] 進(jìn)一步，所述步驟2中大氣等離子噴涂的工藝參數(shù)為：噴涂電流為620～690A，電壓為46～52。

[0025] 有益效果：這樣的工藝參數(shù)使得粉體能夠很好的形成陶瓷涂層。[0026] 進(jìn)一步，所述陶瓷涂層的厚度為100～400μm。[0027] 有益效果：該涂層厚度下能夠使得涂層與基體有較強(qiáng)的結(jié)合強(qiáng)度，較厚容易脫落，較薄，起不到隔熱，抗氧化效果。

附圖說明[0028] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例1中RETaO4粉末的SEM圖；[0029] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例1制備的SiC?YSZ(3/6)?(YTaO4)(3/6)復(fù)合材料在熱震考核過程中的示意圖；

[0030] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例1制備的SiC?YSZ(3/6)?(YTaO4)(3/6)復(fù)合材料熱震考核后的示意圖；

[0031] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例1與對(duì)比例5的熱導(dǎo)率隨溫度的變化曲線圖。具體實(shí)施方式[0032] 下面通過具體實(shí)施方式進(jìn)一步詳細(xì)說明：[0033] 實(shí)施例1：[0034] 具有高溫陶瓷涂層YSZ?RETaO4的SiC基復(fù)合材料，包括SiC基體，在SiC基體外部設(shè)有過渡層和陶瓷涂層，其中過渡層的成分包括氧化鋁、氫氧化鋁、磷酸二氫鋁和鋁硅酸鹽，

陶瓷涂層的成分為YSZ(3/6)?(YTaO4)(3/6)。

[0035] 上述材料的具體制備方法，包括以下步驟：[0036] 步驟1：稱取58g氧化鋁、158g氫氧化鋁、155g磷酸二氫鋁和62g氧化鈣，與無水乙醇一起放置到球磨罐中密封后進(jìn)行球磨，球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速為400r/min，球磨時(shí)間為300min，使各

種粉末混合均勻，后在80℃下干燥48h，過300目篩后備用。

[0037] 步驟2：通過步驟1中混合的粉體將SiC基體包埋在氧化鋁瓷舟中，并置于真空管式爐中煅燒，其中煅燒的溫度為1300℃，煅燒時(shí)間為12h，待爐冷后，SiC基體的表面形成了過

渡層。

[0038] 步驟3：將氧化釔穩(wěn)定性氧化鋯(YSZ)和稀土鉭酸釔(YTaO4)按照質(zhì)量比為1:1的比例稱取，混合均勻之后，再依次過400目篩和500目篩，保證YSZ和YTaO4粉末的粒徑在40～

50μm之間，采用大氣等離子方法將過篩后的粉末噴涂在過渡層表面，形成一層400μm厚度

的YSZ(3/6)?(YTaO4)(3/6)陶瓷涂層，其中噴涂電流amps為621A，電壓olts為47.6。

[0039] 其中YTaO4粉末的制備方法，包括以下步驟：[0040] 稱取氧化釔和五氧化二鉭，將其和無水乙醇一起放置于球磨罐中混合、密封后置于行星式球磨機(jī)上球磨，使其能夠混合均勻，將混合后的粉末干燥和過篩后進(jìn)行燒結(jié)；利用

粉碎機(jī)和球磨機(jī)分別對(duì)燒結(jié)好的產(chǎn)物進(jìn)行粉碎和球磨后，加入粘結(jié)劑和去離子水，同時(shí)加

入消泡劑去除表層的氣泡，利用噴霧干燥設(shè)備對(duì)漿料進(jìn)行造粒制備得到球形粉體；將制備

球形粉體在高溫下煅燒處理去除其中的粘結(jié)劑并使球形粉致密化，得到熱噴涂用YTaO4球

形粉體。而YSZ的制備工藝成熟，可直接購買。

[0041] 采用上述方法制備的YTaO4粉末的SEM圖如圖1所示，可從圖1中觀察到小顆粒的粉末呈完整且規(guī)則的球形。

[0042] 實(shí)施例2～7、對(duì)比例1～4：[0043] 與實(shí)施例1的區(qū)別在于，制備工藝中的工藝參數(shù)有所區(qū)別，具體見表1所示。[0044] 表1為實(shí)施例2～7和對(duì)比例1～4的制備工藝參數(shù)表[0045][0046] 實(shí)施例8：[0047] 與實(shí)施例1的區(qū)別在于，本實(shí)施例中陶瓷涂層為YSZ(3/6)?(GdTaO4)(3/6)，其中GdTaO4粉末的制備方法與實(shí)施例1相同。

[0048] 實(shí)施例9：[0049] 與實(shí)施例1的區(qū)別在于，本實(shí)施例中陶瓷涂層為YSZ(3/6)?(YbTaO4)(3/6)，其中YbTaO4粉末的制備方法與實(shí)施例1相同。

[0050] 對(duì)比例5：[0051] 與實(shí)施例1的區(qū)別在于，對(duì)比例5中陶瓷涂層的成分為8YSZ。[0052] 實(shí)驗(yàn)測試：[0053] 1、熱震考核[0054] 將實(shí)施例1～9和對(duì)比例1～5制得的復(fù)合材料進(jìn)行熱震考核，以實(shí)施例1為例，其制備的SiC?YSZ(3/6)?(YTaO4)(3/6)復(fù)合材料在2500℃下保溫，30s一次循環(huán)150次涂層未脫落，

圖2為實(shí)施例1制備的SiC?YSZ(3/6)?(YTaO4)(3/6)復(fù)合材料熱震考核中的示意圖，圖3為實(shí)施

例1制備的SiC?YSZ(3/6)?(YTaO4)(3/6)復(fù)合材料熱震考核后的示意圖，從圖2和圖3能夠觀察

到熱震考核后涂層與基體完好，表明實(shí)施例1中得到的復(fù)合材料中涂層對(duì)基體起到很好的

保護(hù)作用。而測試中對(duì)比例3和對(duì)比例4均出現(xiàn)了涂層一定程度脫落的情況。

[0055] 2、力學(xué)性能與熱導(dǎo)率[0056] 將實(shí)施例1～9和對(duì)比例1～5制備的復(fù)合材料進(jìn)行力學(xué)測試，包括硬度(H)和結(jié)合強(qiáng)度(MPa)，檢測結(jié)果如下表2所示。

[0057] 采用激光導(dǎo)熱儀進(jìn)行測試，在800℃時(shí)，熱導(dǎo)率(W·m?1·K?1)測試結(jié)果如下表2所示，以實(shí)施例1與對(duì)比例5為例，其熱導(dǎo)率隨溫度的變化曲線如下圖4所示。

[0058] 表2為實(shí)施例1～9與對(duì)比例1～5制備的復(fù)合材料檢測結(jié)果[0059][0060][0061] 從上表2可以得出：[0062] 采用本方案的制備方法得到的SiC基復(fù)合材料，其熱導(dǎo)率為0.67～0.82W·m?1·K?1

之間，滿足超高溫(2000℃)以上的使用環(huán)境，材料的熱導(dǎo)率越低，對(duì)基體材料的保護(hù)效果

就越好，使得SiC基復(fù)合材料在超高溫環(huán)境下的使用壽命延長。

[0063] 而本方案得到的SiC基復(fù)合材料表面硬度較低，這使得表面形成的涂層能夠有效地阻止殘余應(yīng)力和裂紋的傳播，提高陶瓷涂層的容韌性和斷裂韌性；另外本方案得到的SiC

基復(fù)合材料表面的涂層之間的結(jié)合強(qiáng)度高(37～40MPa)，在受力環(huán)境下不易產(chǎn)生裂紋或縫

隙而導(dǎo)致脫落，主要原因在于氧化鋁與鋁硅酸鹽的熱膨脹系數(shù)更接近YSZ(x)?(RETaO4)(1?x)

陶瓷涂層的熱膨脹系數(shù)，使得過渡層與陶瓷涂層之間的熱失配應(yīng)力減小，從而提高涂層之

間在超高溫下的結(jié)合強(qiáng)度。

[0064] 另外本申請(qǐng)中引入的氫氧化鋁和磷酸二氫鋁不僅利于鋁硅酸鹽的形成，同時(shí)可提高基體與陶瓷涂層之間的結(jié)合強(qiáng)度。

[0065] 以上所述的僅是本發(fā)明的實(shí)施例，方案中公知的具體材料及特性等常識(shí)在此未作過多描述。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明的前提下，還可以作出

若干變形和改進(jìn)，這些也應(yīng)該視為本發(fā)明的保護(hù)范圍，這些都不會(huì)影響本發(fā)明實(shí)施的效果

和專利的實(shí)用性。本申請(qǐng)要求的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以其權(quán)利要求的內(nèi)容為準(zhǔn)，說明書中的具體

實(shí)施方式等記載可以用于解釋權(quán)利要求的內(nèi)容。