權利要求書： 1.制備具有高溫陶瓷涂層YSZ?RETaO4的SiC基復合材料的方法，其特征在于：所述高溫陶瓷涂層YSZ?RETaO4的SiC基復合材料包括SiC基體，所述SiC基體上依次設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量比為1～2：3～4：3～4：1～2，與無水乙醇一起進行球磨，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，并進行高溫煅燒，煅燒溫度為1100～1800℃，煅燒時間為10～15h，煅燒在保護氣氛下進行，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)權利要求1所述的具有高溫陶瓷涂層YSZ?RETaO4的SiC基復合材料的制備方法，其特征在于：所述步驟1中球磨機的轉速為300～500r/min，球磨時間為480～600min，干燥過程的溫度為60～80℃，干燥時間為10～24h，粉末過300 500目篩。

~

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

背景技術[0002] 環(huán)境障礙涂層(Environmentbarriercoating，EBC)能夠解決構件在燃氣環(huán)境中長時間腐蝕和氧化的問題，是目前航空發(fā)動機材料研究的熱點，隨著我國航空航天事業(yè)的

不斷進步和發(fā)展，高推重比發(fā)動機已成為航空發(fā)動機發(fā)展的重點。高推重比發(fā)動機的核心

技術是提高渦輪前進口溫度和減小結構質量，然而，傳統(tǒng)的高溫合金材料不僅質量大，耐溫

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

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

機熱端部件，如燃燒室等。

[0003] 然而，碳化硅復合材料在長時間服役過程中，不斷氧化和被環(huán)境腐蝕，限制了碳化硅在航空發(fā)動機領域的進一步發(fā)展。吉林大學楊洋等采用APS技術在碳化硅復合材料表面

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

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

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/碳化硅抗氧化復合氣凝膠材料，中國專利

CN201110374906.6公開了一種碳/碳復合材料硅酸鋯/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)動力學根據(jù)高壓燃燒環(huán)測試實驗中的溫度、壓力和氣體流速模擬出了SiC/SiC的

損失速率。

[0004] 綜合實驗和模擬結果顯示，在燃氣環(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等利用質譜儀分析尾氣證實氧化產(chǎn)物為硅

的氫氧化物；美國橡樹林國家實驗室(ONRL)的More等的研究表明CDSiC與水蒸氣反應導

致高的損失率；CSGT項目研究表明，SiC/SiCCMC長期應用于發(fā)動機燃燒室環(huán)境易受到損

傷，性能惡化嚴重，其結果是沒有保護涂層的SiC/SiCCMC在5000h內襯里壁厚的90％均被

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

RoyceAllisonModel501?K渦輪機上運行大約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長時間腐蝕問題就成為發(fā)展高性能發(fā)動機熱端

構件的關鍵。根據(jù)相關報道，關于碳化硅復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)明重點研究了在碳化硅復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)明內容[0005] 本發(fā)明提供了具有高溫陶瓷涂層YSZ?RETaO4的SiC基復合材料及其制備方法，以解決現(xiàn)有技術中的問題。

[0006] 為了達到上述目的，本發(fā)明的技術方案為：[0007] 具有高溫陶瓷涂層YSZ?RETaO4的SiC基復合材料，包括SiC基體，所述SiC基體上依次設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] 本技術方案的技術原理和效果在于：[0009] 1、本方案中通過過渡層與YSZ、RETaO4復合陶瓷涂層的設置，使得SiC基復合材料，?1 ?1

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

料的熱導率越低，對基體材料的保護效果就越好，使得SiC基復合材料在超高溫環(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復合陶瓷涂層之間，使得YSZ、RETaO4復合

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

易因應力導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復合陶瓷涂層，使得過渡層與陶瓷涂層之間的熱失

配應力減小。另外氫氧化鋁與磷酸二氫鋁能夠進一步促進鋁硅酸鹽玻璃相的形成。

[0016] 進一步，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行匹配。[0018] 進一步，所述步驟1中球磨機的轉速為300～500r/min，球磨時間為480～600min，干燥過程的溫度為60～80℃，干燥時間為10～24h，粉末過300～500目篩。

[0019] 有益效果：這樣的條件下，實現(xiàn)了各種組份的充分混合。[0020] 進一步，所述步驟1中煅燒溫度為1100～1800℃，煅燒時間為10～15h，煅燒在保護氣氛下進行。

[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，而溫度過高，會導致過燒，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] 進一步，所述步驟2中YSZ與RETaO4的質量比為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的結合強度，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)明實施例1中RETaO4粉末的SEM圖；[0029] 圖2為本發(fā)明實施例1制備的SiC?YSZ(3/6)?(YTaO4)(3/6)復合材料在熱震考核過程中的示意圖；

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

[0031] 圖4為本發(fā)明實施例1與對比例5的熱導率隨溫度的變化曲線圖。具體實施方式[0032] 下面通過具體實施方式進一步詳細說明：[0033] 實施例1：[0034] 具有高溫陶瓷涂層YSZ?RETaO4的SiC基復合材料，包括SiC基體，在SiC基體外部設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行球磨，球磨機的轉速為400r/min，球磨時間為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行燒結；利用

粉碎機和球磨機分別對燒結好的產(chǎn)物進行粉碎和球磨后，加入粘結劑和去離子水，同時加

入消泡劑去除表層的氣泡，利用噴霧干燥設備對漿料進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] 實施例2～7、對比例1～4：[0043] 與實施例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為實施例2～7和對比例1～4的制備工藝參數(shù)表[0045][0046] 實施例8：[0047] 與實施例1的區(qū)別在于，本實施例中陶瓷涂層為YSZ(3/6)?(GdTaO4)(3/6)，其中GdTaO4粉末的制備方法與實施例1相同。

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

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

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

例1制備的SiC?YSZ(3/6)?(YTaO4)(3/6)復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，表明實施例1中得到的復合材料中涂層對基體起到很好的

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

[0055] 2、力學性能與熱導率[0056] 將實施例1～9和對比例1～5制備的復合材料進行力學測試，包括硬度(H)和結合強度(MPa)，檢測結果如下表2所示。

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

[0058] 表2為實施例1～9與對比例1～5制備的復合材料檢測結果[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基復合材料，其熱導率為0.67～0.82W·m?1·K?1

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

就越好，使得SiC基復合材料在超高溫環(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

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

隙而導致脫落，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力減小，從而提高涂層之

間在超高溫下的結合強度。

[0064] 另外本申請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，同時可提高基體與陶瓷涂層之間的結合強度。

[0065] 以上所述的僅是本發(fā)明的實施例，方案中公知的具體材料及特性等常識在此未作過多描述。應當指出，對于本領域的技術人員來說，在不脫離本發(fā)明的前提下，還可以作出

若干變形和改進，這些也應該視為本發(fā)明的保護范圍，這些都不會影響本發(fā)明實施的效果

和專利的實用性。本申請要求的保護范圍應當以其權利要求的內容為準，說明書中的具體

實施方式等記載可以用于解釋權利要求的內容。