[发明专利]单硅酸镥/焦硅酸镥双相复合环境障涂层材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及单硅酸镥/焦硅酸镥双相复合环境障涂层材料及其制备方法，用于避免SiC-Si-mullite体系侵蚀的保护。 

背景技术

利用环境障碍涂层（Environmental Barrier Coatings，EBCs）减少C/SiC复合材料在航空发动机服役环境介质（如水蒸气、熔盐等）中的腐蚀已经成为航空发动机材料研究的热点之一。迄今为止已经发展了多种类型的环境障涂层材料，如莫来石/YSZ（ZrO₂-8wt%Y₂O₃），莫来石/BSAS（(1-x)BaO·xSrO·Al₂O₃·2SiO₂，0<x<1）和稀土硅酸盐等，其中，BSAS已成功投入应用．而与BSAS体系相比，稀土硅酸盐材料不仅具有低的热膨胀系数、良好的相稳定性以及优良的耐水腐蚀能力，并具有耐高温和更好的化学稳定性，故成为取代BSAS的热点材料。基于此，含多种稀土元素的硅酸盐体系的水腐蚀行为得到了较为广泛的研究，如Sc、Lu、Yb、Y、和Er等。其中，Sc、Lu两种元素硅酸盐体系的耐水腐蚀性能尤为突出。与Sc原料相比，Lu原料（如硝酸镥等），价格更为低廉，所以镥硅酸盐是EBC热门侯选材料。 

通过对目前涂层材料基本现状的研究可见，单独采用Lu₂Si₂O₇或Lu₂SiO₅作为硅基非氧化物陶瓷(SiC，Si₃N₄)环境障涂层的面层材料在发动机工作环境下都会发生涂层韧性下降、产生裂纹、导致基体材料被破坏的严重后果。因此，重新设计面层材料的组分和配比，研究涂层在模拟发动机工作环境中的相组成、分布及形态，探讨相转变过程的发生和发展的热力学和动力学条件以及涂层韧性变化的规律和影响因素、裂纹的形成及分布的对应关系等科学问题，将会有助于解析稀土镥硅酸盐环境障涂层的韧性下降而产生裂纹的本质原因，找到解决问题的方法，对最终防止裂纹的产生起到理论和实际的指导作用。 

发明内容

本发明人针对Lu₂Si₂O₇相转变过程的特点和已有的对Lu₂SiO₅物质的热物理化学性质的分析，提出了一种新颖的解决方案，即在用于制备 Lu₂Si₂O₇涂层的喷涂喂料中，复合一定比例的Lu₂SiO₅成分，利用Lu₂SiO₅在Lu₂Si₂O₇相中的占位效应和钉扎作用，抑制由于发生相转变而引起的体积收缩和Lu₂Si₂O₇相的粒度增大等过程的发生。 

根据现有技术的相关报道，通过实验测定和吉布斯自由能热力学函数的计算，确定并解释了在1400℃以上，将发生如下转变过程： 

该过程是1300℃-1400℃条件下Lu₂Si₂O₇分解成Lu₂SiO₅的相转变的逆过程。 

因此，本发明提出，通过在体系中复合一定数量的反应物Lu₂SiO₅，通过该反应物Lu₂SiO₅使体积发生一定程度的膨胀，从而减轻总体上的体积收缩的程度，会促进1400℃以上过程的转变，有利于减缓涂层的热应力和涂层韧性的提高。进一步地，通过二者的混杂互补效应，可以改变形成涂层后的面层材料的热物理性能及与中间层莫来石的界面匹配等问题，提高涂层的韧性，阻止裂纹的产生。 

根据本发明的一个方面，提供了一种单硅酸镥/焦硅酸镥双相复合环境障涂层材料的制备方法，其特征在于包括： 

将烧结得到的Lu₂SiO₅和Lu₂Si₂O₇破碎后按预定比例混合，