一種C/C複合材料SiC‑Y2Hf2O7複合塗層及製備方法與流程
2023-09-22 16:42:55
本發明屬於塗層製備領域，涉及一種C/C複合材料SiC-Y2Hf2O7複合塗層及製備方法。
背景技術：
常用的鉿酸鹽材料的晶體結構主要有鈣鈦礦型和燒綠石類型。鈣鈦礦型的鉿酸鹽主要有鉿酸鍶(SrHfO3)、鉿酸鈣(CaHfO3)和鉿酸鋇(BaHfO3)，燒綠石類型或者是缺陷型螢石結構的鉿酸鹽主要為稀土類鉿酸鹽物質(RE2Hf2O7)。這兩類鉿酸鹽都具有高的熔點，優良的高溫化學穩定性，是近年來新發展的熱障塗層材料，在環境熱屏障方面也有著重要應用前景。
鉿酸釔(Y2Hf2O7)作為典型的燒綠石結構鉿酸鹽受到了廣泛關注。製備鉿酸釔粉體的方法主要有固相法和軟化學法(液相法)，軟化學法主要有溶膠凝膠法、共沉澱法和燃燒法。中國專利CN101580393A用固相法和共沉澱法製得了鉿酸釔粉體，通過燒結製備出了鉿酸釔透明陶瓷。上海矽酸鹽研究所的Yikun Liao以Y(NO3)3和HfO(NO3)2為原料，甘氨酸、尿素或者甘氨酸與尿素的混合液為燃燒劑，EDTA為螯合劑，製得了Y2Hf2O7粉體。澳大利亞的Karl R.Whittle以固相法1500℃下合成了一系列的La2-xYxZr2O7和La2-xYxHf2O7陶瓷研並究了其結構及化學特徵。北理工柳彥博等採用Y2O3和HfO2固相法1350℃下合成了Y2Hf2O7粉體，經等靜壓成型1600℃下燒結出了Y2Hf2O7陶瓷並研究了其熱物理性能，結合大氣等離子噴塗(APS)方法在高溫合金(GH49)基體上製備了Y2Hf2O7熱障塗層。相對於固相法燃燒法具有合成溫度低、合成速度快和結晶性良好等特點且利於規模化生產。
技術實現要素：
要解決的技術問題
為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種C/C複合材料SiC-Y2Hf2O7複合塗層及製備方法，採用的是超音速等離子噴塗技術，具有噴塗速度快、可噴塗材料範圍廣等顯著優點。
技術方案
一種C/C複合材料SiC-Y2Hf2O7複合塗層，其特徵在於包括位於C/C複合材料表面的SiC內塗層，以及SiC內塗層上的Y2Hf2O7外塗層。
一種製備所述C/C複合材料SiC-Y2Hf2O7複合塗層的方法，其特徵在於步驟如下：
步驟1、燃燒法合成Y2Hf2O7粉體：以四氯化鉿和硝酸釔為原料，採用Y與Hf摩爾比為1︰1的化學計量比，與去離子水配製Y2Hf2O7前驅體溶液；以尿素為燃燒劑，以氨水和硝酸調節前驅體溶液pH值為1-6；所述尿素用量為硝酸釔摩爾的14～20倍；
將馬弗爐升溫至250～800℃時，前驅體溶液置於馬弗爐中，經過自蔓延燃燒得到Y2Hf2O7粉體；
步驟2、粉體高溫熱處理：在馬弗爐內，空氣氣氛下，熱處理溫度範圍為800～1400℃，熱處理時間為2～4h；
步驟3：採用超音速等離子體噴塗方法，在C/C複合材料表面的SiC上噴塗步驟2得到的Y2Hf2O7粉體，噴塗工藝參數：功率為30～60KW，Ar氣流量為32～70L/min，送粉量為4～40g/min。
所述C/C複合材料表面的SiC內塗層採用包埋法製備，步驟為：先將C/C複合材料打磨拋光清洗後乾燥，然後包埋於坩堝的粉料內，放入高溫爐中1600～2300℃熱處理1～5h，在C/C複合材料表面得到SiC內塗層；所述粉料為35～90％的Si粉、15～55％的C粉和5～15％的Al2O3粉混合、球磨並烘乾。
所述粉體合成的熱處理溫度制度為6～10℃/min。
所述步驟3噴塗時，採用Y2Hf2O7粉體粒徑範圍在50～100μm。
所述四氯化鉿、硝酸釔及尿素原材料均為分析純試劑。
有益效果
本發明提出的一種C/C複合材料SiC-Y2Hf2O7複合塗層及製備方法，將Si粉和碳粉在一定配比下混合均勻作為原料，在一定溫度制度下採用包埋法製得SiC內塗層。以硝酸釔和四氯化鉿為原料，尿素為還原劑，採用溶劑燃燒法製備鉿酸釔粉體。所得粉體經高溫熱處理或造粒，用超音速等離子噴塗法製得鉿酸釔外塗層，所製備塗層具有較好的塗層結合力，在160個1200℃-室溫水的水冷熱震環境中仍保有較為完整的表面特徵。
附圖說明
圖1為鉿酸釔塗層的XRD圖像
圖2為噴塗用多孔狀鉿酸釔粉體的SEM圖像
圖3為鉿酸釔塗層的表面
圖4為鉿酸釔塗層的截面
圖5為鉿酸釔塗層的結合力的劃痕測試
具體實施方式
現結合實施例、附圖對本發明作進一步描述：
本發明實施例採用的技術方案如下：
1.內塗層的製備：
1)：將C/C複合材料用砂紙打磨拋光，無水乙醇超聲清洗30min，然後放在烘箱中120℃下乾燥；
2)將35～90％的Si粉、15～55％的C粉，5～15％的Al2O3粉，粉料混合後球磨2～4h,置於烘箱烘乾，然後將粉料置入石墨坩堝內，把步驟1)處理過的C/C複合材料，置於包埋坩堝內，將坩堝上蓋後放入高溫爐中1600～2300℃熱處理1～5h，在C/C複合材料表面得到SiC內塗層。
2.Y2Hf2O7粉體的製備
四氯化鉿和硝酸釔作為原料，採用燃燒法製備鉿酸釔粉體具體步驟如下：
1)前驅體配置：將四氯化鉿溶解於去離子水中，加入過量氨水，隨後在轉速1000r/min下電磁攪拌30min，得到絮狀白色沉澱，隨後將沉澱物移入離心管，多次離心(10000r，5min)；將盛有沉澱的燒杯置於磁力攪拌水浴鍋中(60℃，1000r/min)，加入過量的硝酸，邊加熱邊攪拌直至溶液澄清。隨後向溶液中加入硝酸釔和尿素，邊加熱邊攪拌直至溶液再次澄清，調節溶液pH值為1～6，硝酸釔按Hf與Y的摩爾比為1:1進行配料計算，燃燒劑按照所需硝酸釔摩爾的14-20倍引入。
2)燃燒反應及熱處理：置於預先升溫250～800℃的馬弗爐中反應，得到蓬鬆狀產物，隨後將所得物質在高溫氧化爐中800～1400℃熱處理2～4h，得到結晶良好的Y2Hf2O7陶瓷粉體。
3.Y2Hf2O7外塗層的製備
1)將2中所得鉿酸釔陶瓷粉體，經球磨，造粒及過篩製得粒徑範圍在50～100μm，流動性良好的噴塗粉料。
2)採用超音速等離子方法，在SiC內塗層表面製備鉿酸釔外塗層。
具體實施例：
實施例1
C/C複合材料SiC-Y2Hf2O7複合塗層及其製備技術，將C/C複合材料用砂紙打磨拋光，無水乙醇超聲清洗30min，然後放在烘箱中120℃下乾燥。將35％Si粉、55％的C粉及10％的Al2O3粉料混合後球磨2h，置於烘箱烘乾，然後將粉料置入石墨坩堝內，將處理過的C/C複合材料置於包埋坩堝內，將坩堝上蓋後放入氬氣保護的高溫爐中1700℃熱處理5h，在C/C複合材料表面得到SiC內塗層。按化學計量比稱取硝酸釔及四氯化鉿，將四氯化鉿溶解於去離子水中，加入過量氨水，充分攪拌得到絮狀白色沉澱，經多次離心(10000r，5min)；將盛有沉澱的燒杯置於磁力攪拌水浴鍋中，加入過量的硝酸，邊加熱邊攪拌直至溶液澄清。隨後向溶液中加入硝酸釔和尿素，邊加熱邊攪拌直至溶液再次澄清，調節溶液pH值為1；將溶液置於預先升溫550℃的馬弗爐中反應，得到蓬鬆狀產物，隨後將所得物質在高溫氧化爐中1200℃熱處理2h，得到結晶良好的Y2Hf2O7陶瓷粉體。採用超音速等離子方法在功率為30KW，Ar流量為40L/min，送粉量為10g/min的工藝參數下在SiC內塗層表面製得鉿酸釔外塗層。實施例2
C/C複合材料SiC-Y2Hf2O7複合塗層及其製備技術，將C/C複合材料用砂紙打磨拋光，無水乙醇超聲清洗30min，然後放在烘箱中120℃下乾燥。將48％Si粉、46％的C粉及6％的Al2O3粉料混合後球磨2h，置於烘箱烘乾，然後將粉料置入石墨坩堝內，將處理過的C/C複合材料置於包埋坩堝內，將坩堝上蓋後放入氬氣保護的高溫爐中1900℃熱處理2h，在C/C複合材料表面得到SiC內塗層。按化學計量比稱取硝酸釔及四氯化鉿，將四氯化鉿溶解於去離子水中，加入過量氨水，充分攪拌得到絮狀白色沉澱，經多次離心(10000r，5min)；將盛有沉澱的燒杯置於磁力攪拌水浴鍋中，加入過量的硝酸，邊加熱邊攪拌直至溶液澄清。隨後向溶液中加入硝酸釔和尿素，邊加熱邊攪拌直至溶液再次澄清，調節溶液pH值為3；將溶液置於預先升溫650℃的馬弗爐中反應，得到蓬鬆狀產物，隨後將所得物質在高溫氧化爐中1000℃熱處理3h，得到結晶良好的Y2Hf2O7陶瓷粉體。採用超音速等離子方法在功率為42KW，Ar流量為55L/min，送粉量為15g/min的工藝參數下在SiC內塗層表面製得鉿酸釔外塗層。實施例3
C/C複合材料SiC-Y2Hf2O7複合塗層及其製備技術，將C/C複合材料用砂紙打磨拋光，無水乙醇超聲清洗30min，然後放在烘箱中120℃下乾燥。將60％Si粉、24％的C粉及16％的Al2O3粉料混合後球磨2h，置於烘箱烘乾，然後將粉料置入石墨坩堝內，將處理過的C/C複合材料置於包埋坩堝內，將坩堝上蓋後放入氬氣保護的高溫爐中2200℃熱處理3h，在C/C複合材料表面得到SiC內塗層。按化學計量比稱取硝酸釔及四氯化鉿，將四氯化鉿溶解於去離子水中，加入過量氨水，充分攪拌得到絮狀白色沉澱，經多次離心(10000r，5min)；將盛有沉澱的燒杯置於磁力攪拌水浴鍋中，加入過量的硝酸，邊加熱邊攪拌直至溶液澄清。隨後向溶液中加入硝酸釔和尿素，邊加熱邊攪拌直至溶液再次澄清，調節溶液pH值為1；將溶液置於預先升溫450℃的馬弗爐中反應，得到蓬鬆狀產物，隨後將所得物質在高溫氧化爐中1400℃熱處理2h，得到結晶良好的Y2Hf2O7陶瓷粉體。採用超音速等離子方法在功率為60KW，Ar流量為65L/min，送粉量為20g/min的工藝參數下在SiC內塗層表面製得鉿酸釔外塗層。