一种钇钬单硅酸盐固溶体材料及其制备方法与流程

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力学性能的钇钬单硅酸盐(y1-xhox)2sio5固溶体材料及其制备方法。

背景技术：

钇单硅酸盐(y2sio5)具有低密度、良好的高温稳定性、较高的抗损伤容限、良好的可加工性能、较高的化学和热学稳定性、较好的抗腐蚀性、非常低的热导率，作为硅基陶瓷的环境屏障涂层在高推重比航空发动机热端部件有着良好的应用前景。(z.q.sun,etal.inter.mater.rev.(国际材料评论).2014(59)357–383.)。但是y2sio5力学强度较低，作为环境屏障涂层在高温下抵御外来异物的冲击损伤性能(fod，foreignobjectdebris)较差。有研究表明钬单硅酸盐(ho2sio5)具有非常有优异的高温强度，但其较高的密度和成本限制其在航空、航天领域的应用。已有研究发现：在稀土硅酸盐中固溶其它元素时，可以得到性能更加优异的固溶体材料(如：(y1-xybx)2sio5)，包括获得更高的杨氏模量、剪切模量等。使得材料的力学性能得到明显的改善(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)。因此，本发明选择钬作为固溶元素掺杂到钇单硅酸盐中，期望得到高温力学性能优异的固溶体材料。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种钇钬单硅酸盐(y1-xhox)2sio5固溶体材料及其制备方法，在不损伤y2sio5陶瓷较高的化学和热学稳定性的同时，能够进一步改善提高材料高温力学性能。

本发明的技术方案如下：

一种钇钬单硅酸盐固溶体材料，钇钬单硅酸盐固溶体化学式为(y1-xhox)2sio5，其中，ho取代y的原子摩尔量x的取值范围为0<x<1。

所述的钇钬单硅酸盐固溶体材料的制备方法，具体步骤如下：

1)以氧化钇、氧化钬和二氧化硅粉末作为原料；

(y1-xhox)2sio5中，(y1-xhox)：si：o的摩尔比为2：1：5，其中ho取代y的原子摩尔量x的取值范围为0<x<1；

2)以乙醇为介质，将原始粉料进行球磨混合8～24小时，浆料经烘干、过筛后所得粉末在马弗炉中无压烧结，升温速率为5～15℃/分钟，烧结温度为1500～1600℃，烧结时间为0.5～1.5小时，最后得到(y1-xhox)2sio5固溶体粉体；

3)无压烧结的固溶体粉体，经物理机械方法混合10～24小时，装入石墨模具中冷压成型，在通有保护气氛的热压炉内进行热压烧结，升温速率为5～20℃/分钟，烧结温度为1500～1650℃、烧结时间为0.5～2小时、烧结压强为20～40mpa。

所述的钇钬单硅酸盐固溶体材料的制备方法，氧化钇、氧化钬和二氧化硅粉末的原始粒度范围在200～800目。

所述的钇钬单硅酸盐固溶体材料的制备方法，无压烧结采用常压在空气气氛下进行。

所述的钇钬单硅酸盐固溶体材料的制备方法，热压烧结采用的保护气氛为氩气或氦气。

所述的钇钬单硅酸盐固溶体材料的制备方法，物理机械方法混合采用在酒精介质下的球磨法。

本发明的优点及有益效果是：

1.纯度高、高温稳定性好。采用本发明制备的(y1-xhox)2sio5固溶体材料是将钬(ho)元素原位固溶到y2sio5陶瓷的晶格中，不含y2sio5或者磷灰石等的杂质相。烧结温度达1650℃，固溶体陶瓷仍保持良好的结构稳定性，能满足环障涂层航空、航天领域的应用。

2.高温力学性能优异。本发明中，y2sio5陶瓷的低密度和低成本与钬硅酸盐陶瓷优异的高温力学性能相结合，获得综合性能良好的固溶体材料。高温弯曲强度也发现(y2/3ho1/3)2sio5和(y1/3ho2/3)2sio5在1573k的弯曲强度较纯相y2sio5都有明显的提升。随着材料中ho的加入，(y1-xhox)2sio5的高温刚度保持很好。

附图说明

图1为x＝1/3和2/3的(y1-xhox)2sio5固溶体的x射线衍射图。

图2为(y1-xhox)2sio5固溶体的1573k高温弯曲强度的比较图。

图3为(y1-xhox)2sio5固溶体的杨氏模量随温度的变化曲线。

具体实施方式

下面，通过实施例进一步详述本发明。

实施例1

原料氧化钇、氧化钬和二氧化硅粉末的原始粒度为600目，将氧化钇22.65克、氧化钬18.9克和二氧化硅9克(摩尔比为符合化学式(y2/3ho1/3)2sio5，以y2o3粉(纯度99.99wt％)、ho2o3粉(纯度99.99wt％)与sio2粉(纯度99.99wt％)为原料，用无水乙醇作为介质，将粉末放入氮化硅球磨罐中球磨8小时，干燥后的粉末在马弗炉中进行无压烧结。烧结工艺为：以5℃/min的速度升温至1500℃，保温0.5小时。将无压烧结后的固溶体粉体放入球磨罐中球磨10小时，随后干燥，并将干燥好的固溶体粉体装入石墨模具中进行室温冷压成型，最后将冷压的模具放入石墨烧结炉中进行热压烧结。烧结气氛为氩气，以5℃/min的速度升温至1500℃同时在20mpa压力下保温0.5小时，之后随炉冷却。整个保温过程中的压强都维持在20mpa，整个热压烧结过程都是在氩气保护下进行。

本实施例中，获得的反应产物经x射线衍射分析(图1)为纯净的(y2/3ho1/3)2sio5。

实施例2

原料氧化钇、氧化钬和二氧化硅粉末的原始粒度为800目，将氧化钇7.53克、氧化钬25.2克和二氧化硅6.0克(摩尔比为符合化学式(y1/3ho2/3)2sio5，以y2o3粉(纯度99.99wt％)、ho2o3粉(纯度99.99wt％)与sio2粉(纯度99.99wt％)为原料，用无水乙醇作为介质，将粉末放入氮化硅球磨罐中球磨24小时，干燥后的粉末在马弗炉中进行无压烧结。烧结工艺为：以15℃/min的速度升温至1600℃，保温1.5小时。将无压烧结后的固溶体粉体放入球磨罐中球磨24小时，随后干燥，并将干燥好的固溶体粉体装入石墨模具中进行室温冷压成型，最后将冷压的模具放入石墨烧结炉中进行热压烧结。烧结气氛为氩气，以20℃/min的速度升温至1650℃同时在40mpa压力下保温2小时，之后随炉冷却。整个保温过程中的压强都维持在40mpa，整个热压烧结过程都是在氩气保护下进行。

本实施例中，获得的反应产物经x射线衍射分析(图1)为纯净的(y1/3ho2/3)2sio5。

比较例

将氧化钇45.2克和二氧化硅12.0克(摩尔比为y2sio5)按照实施例1所用工艺获得单相纯净的y2sio5陶瓷(xrd见图1)。首先，测量其中两种材料在1573k的弯曲强度(图2)，(y2/3ho1/3)2sio5固溶体在1573k的弯曲强度较纯相y2sio5提高20％以上，说明ho的掺杂可以改善y2sio5的高温弯曲强度，固溶体材料在高温下抵御外来异物的冲击损伤性能较y2sio5显著提高。采用脉冲激发法测量材料的杨氏模量随温度变化的曲线(图3)，y2sio5和(y1/3ho2/3)2sio5两种材料的模量分别能稳定至1752k、1812k，可见随着材料中ho的加入，(y1-xhox)2sio5的高温刚度保持很好；弹性模量值的下降是由于加入了弹性模量较低的ho2sio5。然而较高的强度及较低的模量对于涂层材料的高温循环寿命是非常有利的。

实施例结果表明，本发明采用无压/热压两步法烧结，可以制备出具有高纯度、高温力学性能良好的(y1-xhox)2sio5固溶体陶瓷材料，其性能指标的范围如下：纯度>99wt％，1573k的高温强度为230～250mpa，高温刚度能稳定至1812k。