CN114671675B - 一种具有小晶粒尺寸的抗cmas腐蚀的高熵陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents

一种具有小晶粒尺寸的抗cmas腐蚀的高熵陶瓷材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有小晶粒尺寸的抗CMAS腐蚀的高熵陶瓷材料及其制备方法，它属于热/环境障涂层材料及其制备领域。制备方法为固相反应：由纳米SiO2、纳米Yb2O3、纳米Lu2O3以及纳米Y2O3、纳米Tm2O3、纳米Sc2O3、纳米Er2O3和纳米Ho2O3中的任意三种为原料粉经过固相反应生(Yb0.2Tm0.2Lu0.2Sc0.2Er0.2)2Si2O7等稀土双硅酸盐或(Yb0.2Tm0.2Lu0.2Sc0.2Er0.2)2SiO5等稀土单硅酸盐或两者的混合物。本方法简单易行。制备出的高熵稀土硅酸盐的抗CMAS腐蚀性能明显优于单一的硅酸镱材料的抗CMAS腐蚀性能。

Description

一种具有小晶粒尺寸的抗CMAS腐蚀的高熵陶瓷材料及其制备 方法
技术领域
本发明属于热/环境障涂层材料及其制备领域，具体涉及一种高熵陶瓷材料及其制备方法。
背景技术
航空发动机正向着高推重比方向发展，使得航空发动机的涡轮前进口温度不断提高。近年来发展的陶瓷基复合材料基体，主要为碳化硅或氮化硅陶瓷基体，可承受更高温度，而且密度更低可减少燃料消耗。环境障涂层(EBC)是一种应用于陶瓷基复合材料表面隔绝基体免受外界高温燃气侵蚀的保护性涂层，具有很好的耐高温水蒸气腐蚀性，且高温稳定性好，与基体有较好的化学兼容性。但是发动机吸入的火山灰会严重威胁热端部件的安全运行，火山灰物质(通常称之为CMAS)腐蚀会导致EBC和发动机组件失效，因此EBC的抗CMAS腐蚀性能研究极为重要。针对未来涡轮运行温度的升高，仍然需要研发一种非常有潜力的EBC候选材料，可以大幅提高现有稀土硅酸盐材料作为EBC的抗CMAS性能。
王京阳教授团队致力于研发多组分稀土(RE)硅酸盐已数年，其课题组经过多元RE优化实验后，发现多组元高熵单硅酸盐的抗CMAS腐蚀性能优于单一RE材料的平均水平，可优选RE调控抗CMAS腐蚀性能。而且高熵陶瓷(HEC)材料拥有与高熵合金(HEA)材料同样的四大效应，可使其更好地应用于EBC。
目前国内已经有人研究高熵稀土硅酸盐材料的耐CMAS腐蚀性能，如有研究者通过无压合成–热压烧结两步法获得了单相致密的高熵(Er1/4Tm1/4Yb1/4Lu1/4)2Si2O7材料，样品在1500℃下经CMAS腐蚀反应4和50h后，反应区厚度均约为300μm(Sun L,et al.Hightemperature corrosion of(Er0.25Tm0.25Yb0.25Lu0.25)2Si2O7 environmental barriercoating material subjected to water vapor and molten calcium–magnesium–aluminosilicate(CMAS).Corrosion Science,2020,175:108881.)。也有研究者用溶胶凝胶-液相烧结两步法制备的(Y0.25Yb0.25Er0.25Sc0.25)2Si2O7陶瓷块体材料，表现出较好的抗熔融CMAS腐蚀能力，在1500℃腐蚀48h后，此高熵陶瓷材料的腐蚀层厚度仅为73μm(Wang X,etal.Preparation and corrosion resistance of high-entropy disilicate(Y0.25Yb0.25Er0.25Sc0.25)2Si2O7 ceramics.Corrosion Science,2021,192:109786.)。这些结果都证实了高熵稀土硅酸盐材料具有优异的抗CMAS腐蚀性能。王京阳团队利用大气等离子喷涂技术在SiCf/SiC陶瓷基复合材料或烧结SiC基体上依次沉积Si过渡层和六稀土主元双硅酸盐面层，并对高温热处理后进行1300℃/1h的CMAS腐蚀的涂层显微组织进行了观察，说明这种六稀土主元双硅酸盐面层可以有效阻止CMAS的渗入(发明专利：一种耐CMAS腐蚀性能优的环境障涂层及其制备方法)。但该专利并没有给出其与单一的稀土单硅酸盐或稀土双硅酸盐的对比结果，没法凸显其优势。
减小陶瓷材料中的晶粒尺寸能大幅度提高材料的力学性能。有材料科学家指出，纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径。在强度方面，陶瓷材料的强度和晶粒尺寸的关系与金属有类似的规律，很多多晶陶瓷的晶粒尺寸与强度之间也符合Hall-Petch关系式，断裂强度随晶粒尺寸的减小而增高。所以，对结构陶瓷材料来说，努力获得细晶粒组织，对提高强度是有利无害的。在韧性方面，陶瓷材料若是以纳米晶的形式出现，则通常脆性的陶瓷，会变成延展性的。因为晶粒越细，越不易产生应力集中；同时，晶粒越细晶界越多，不利于裂纹扩展，所以晶粒细化有利于强度和韧性同时提高。而且，与常规陶瓷材料相比，纳米陶瓷中的内在气孔或缺陷尺寸大大减小，材料不易造成穿晶断裂，有利于提高固体材料的断裂韧性。甚至，晶粒的细化使晶界数量大大增加的结果有助于晶界间的滑移，还可使纳米陶瓷材料表现出独特的超塑性。
有研究者利用大气等离子喷涂技术制备了GdPO4TBC，在1250℃熔融CMAS的腐蚀条件下，GdPO4会在1小时内与熔融CMAS发生反应并在涂层表面形成连续且致密的反应层能有效防止CMAS进一步渗透到涂中，随着腐蚀时间的增加，反应层的相组成没有变化，但微观结构更致密(Guo L,et al.Plasma sprayed nanostructured GdPO4 thermal barriercoatings:preparation microstructure and CMAS corrosion resistance.Journal ofthe American Ceramic Society,2017,100(9):4209-4218.)。其他很多研究也都小尺寸晶粒更容易与熔体反应，从而形成结晶化合物，有效抑制CMAS熔体的进一步渗透(SaremiM.Hot corrosion resistance and mechanical behavior of atmospheric plasmasprayed conventional and nanostructured zirconia coatings.InternationalJournal of Modern Physics:Conference Series,2012,5:720-727；Li M,etal.Preparation of nanostructured Gd2Zr2O7-LaPO4 thermal barrier coatings andtheir calcium-magnesium-alumina-silicate(CMAS)resistance.Journal of theEuropean Ceramic Society,2017,37(10):3425-3434.)由此可见，减小晶粒尺寸可有效提高抗CMAS腐蚀的能力。
发明内容
本发明的目的是要解决针对未来涡轮运行温度的升高，研发一种非常有潜力的EBC候选材料，可以大幅提高现有稀土硅酸镱材料作为EBC的抗CMAS性能的问题，而提供一种具有小晶粒尺寸的抗CMAS腐蚀的高熵陶瓷材料及其制备方法。
本发明鉴于溶胶凝胶法不能通过温度参数的调节来控制晶粒尺寸，热压烧结对设备和成本要求高，而且又为了尽可能地发挥细小晶粒的优势，因此本发明利用一步无压烧结合成法，通过选取能够形成β型结构RE2Si2O7的稀土元素(Y、Sc、Ho、Er、Tm、Yb和Lu)，优选RE调控抗CMAS腐蚀性能，选取抗CMAS腐蚀性较强的元素Yb、Lu，成功制备了具有小晶粒尺寸的β型高熵稀土硅酸盐材料
Figure BDA0003625646950000031
或
Figure BDA0003625646950000032
或当元素相同时两者的混合物，其中REn分别为稀土元素Y,Sc，Tm，Er，Ho中的一种。此方法成功获得了与硅酸镱环境障涂层的孔隙率相近而且晶粒尺寸尽量小的高熵稀土硅酸盐陶瓷块体材料。
一种具有小晶粒尺寸的抗CMAS腐蚀的高熵陶瓷材料由五种纳米稀土氧化物和纳米SiO2制备而成；
所述的五种纳米稀土氧化物为纳米Yb2O3、纳米Lu2O3以及纳米Y2O3、纳米Tm2O3、纳米Sc2O3、纳米Er2O3和纳米Ho2O3中的任意三种，且五种纳米稀土氧化物为等摩尔比；
所述的五种纳米稀土氧化物和纳米SiO2的摩尔比为1:1:1:1:1:(5～10)。
一种具有小晶粒尺寸的抗CMAS腐蚀的高熵陶瓷材料的制备方法，包括如下步骤：
一、球磨：
①、将五种纳米稀土氧化物和纳米SiO2混合，得到混合粉体Ⅰ；
步骤一①中所述的五种纳米稀土氧化物为纳米Yb2O3、纳米Lu2O3以及纳米Y2O3、纳米Tm2O3、纳米Sc2O3、纳米Er2O3和纳米Ho2O3中的任意三种，且五种纳米稀土氧化物为等摩尔比；
②、将混合粉体Ⅰ和分散剂混合，得到混合粉体Ⅱ；将混合粉体Ⅱ分散到去离子水中，再进行湿法球磨，得到浆料；
③、将浆料进行干燥，得到混合粉体Ⅲ；
二、压片：
使用压力机将混合粉体Ⅲ压片，得到块体原料；
三、固相反应：
将块体原料放入高温炉中发生固相反应，得到抗CMAS腐蚀的高熵陶瓷材料。
本发明的优点：
本发明可获得一种具有小晶粒尺寸的抗CMAS腐蚀的高熵陶瓷材料，这种材料的抗CMAS腐蚀性能优于传统单一稀土硅酸盐材料，将极有潜力应用于T/EBC领域。
纯度较高：主相含量＞95wt％，纯度比较高。
晶粒尺寸小：在1300℃～1400℃的烧结温度范围，制备出的高熵稀土双硅酸盐的晶粒尺寸范围为85nm～300nm，高熵稀土单硅酸盐的晶粒尺寸范围为110nm～700nm。
工艺简单：一步无压烧结合成法对工艺和设备要求简单，成本低。
孔隙率接近硅酸镱涂层的孔隙率：目前制备的多数硅酸镱涂层的孔隙率约为3％-6％，本发明方法制备出的高熵陶瓷块体材料的孔隙率接近硅酸镱涂层的孔隙率。
优异的耐CMAS腐蚀：与同样方法制备的硅酸镱块体材料相比，在同样的腐蚀条件下，抗CMAS腐蚀效果提高＞10倍。
附图说明
图1为实施例2制备的抗CMAS腐蚀的高熵陶瓷材料(Yb0.2Tm0.2Lu0.2Sc0.2Er0.2)2SiO5的X射线衍射图谱；
图2为实施例2制备的抗CMAS腐蚀的高熵陶瓷材料Yb0.2Tm0.2Lu0.2Sc0.2Er0.2)2SiO5的TEM-EDX图；
图3为实施例1制备的抗CMAS腐蚀的高熵陶瓷材料(Yb0.2Tm0.2Lu0.2Sc0.2Er0.2)2Si2O7与为实施例2制备的抗CMAS腐蚀的高熵陶瓷材料Yb0.2Tm0.2Lu0.2Sc0.2Er0.2)2SiO5的晶粒尺寸分布图，图中(a)为实施例1制备的抗CMAS腐蚀的高熵陶瓷材料(Yb0.2Tm0.2Lu0.2Sc0.2Er0.2)2Si2O7，(b)为实施例2制备的抗CMAS腐蚀的高熵陶瓷材料(Yb0.2Tm0.2Lu0.2Sc0.2Er0.2)2SiO5；
图4为实施例1制备的抗CMAS腐蚀的高熵陶瓷材料(Yb0.2Tm0.2Lu0.2Sc0.2Er0.2)2Si2O7与Yb2Si2O7在CMAS腐蚀1300℃-48h后的微观形貌图，图中(a)为实施例1制备的抗CMAS腐蚀的高熵陶瓷材料(Yb0.2Tm0.2Lu0.2Sc0.2Er0.2)2Si2O7，(b)为Yb2Si2O7；
图5为实施例2制备的抗CMAS腐蚀的高熵陶瓷材料(Yb0.2Tm0.2Lu0.2Sc0.2Er0.2)2SiO5与Yb2SiO5在CMAS腐蚀1300℃-48h后的微观形貌图，图中(a)为实施例2制备的抗CMAS腐蚀的高熵陶瓷材料(Yb0.2Tm0.2Lu0.2Sc0.2Er0.2)2SiO5，(b)为Yb2SiO5。
具体实施方式
以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。
具体实施方式一：本实施方式一种具有小晶粒尺寸的抗CMAS腐蚀的高熵陶瓷材料由五种纳米稀土氧化物和纳米SiO2制备而成；
所述的五种纳米稀土氧化物为纳米Yb2O3、纳米Lu2O3以及纳米Y2O3、纳米Tm2O3、纳米Sc2O3、纳米Er2O3和纳米Ho2O3中的任意三种，且五种纳米稀土氧化物为等摩尔比；
所述的五种纳米稀土氧化物和纳米SiO2的摩尔比为1:1:1:1:1:(5～10)。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点是：所述的抗CMAS腐蚀的高熵陶瓷材料的纯度不低于95wt％，晶粒尺寸为85～700nm，孔隙率为1％-8％。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式是一种具有小晶粒尺寸的抗CMAS腐蚀的高熵陶瓷材料的制备方法，包括如下步骤：
一、球磨：
①、将五种纳米稀土氧化物和纳米SiO2混合，得到混合粉体Ⅰ；
步骤一①中所述的五种纳米稀土氧化物为纳米Yb2O3、纳米Lu2O3以及纳米Y2O3、纳米Tm2O3、纳米Sc2O3、纳米Er2O3和纳米Ho2O3中的任意三种，且五种纳米稀土氧化物为等摩尔比；
②、将混合粉体Ⅰ和分散剂混合，得到混合粉体Ⅱ；将混合粉体Ⅱ分散到去离子水中，再进行湿法球磨，得到浆料；
③、将浆料进行干燥，得到混合粉体Ⅲ；
二、压片：
使用压力机将混合粉体Ⅲ压片，得到块体原料；
三、固相反应：
将块体原料放入高温炉中发生固相反应，得到抗CMAS腐蚀的高熵陶瓷材料。
本实施方式所述的球磨使用的球磨机可以选择滚动式球磨机、振动式球磨机或搅拌式球磨机。
本实施方式中将浆料进行干燥可以选择水浴锅中边搅拌边加热至水分完全蒸发，或者放入烘箱中烘干，或者选择“炒料”，即将浆料置于炒锅中进行翻炒至水分完全消失，最终得到混合粉体Ⅲ。
本实施方式中将混合粉体Ⅲ置于坩埚(氧化铝或氧化锆)中，再放入高温炉中发生固相反应；高温炉为管式炉、箱式炉或马弗炉，气氛为空气气氛。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三的不同点是：步骤一①中所述的五种纳米稀土氧化物和纳米SiO2的摩尔比为1:1:1:1:1:(5～10)。其它步骤与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式三至四之一不同点是：步骤一①中所述的五种纳米稀土氧化物和纳米SiO2的粒径均为30nm～70nm。其它步骤与具体实施方式三至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式三至五之一不同点是：步骤一②中所述的分散剂为柠檬酸铵；步骤一②中分散剂占混合粉体Ⅱ质量的0.5％～3％。其它步骤与具体实施方式三至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式三至六之一不同点是：步骤一②中湿法球磨使用的磨球为ZrO2，磨球与混合粉体Ⅱ的质量比为(2～5):1；步骤一②中湿法球磨的时间为0.5h～24h。其它步骤与具体实施方式三至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式三至七之一不同点是：步骤一②中浆料的固含量为25％～70％。其它步骤与具体实施方式三至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式三至八之一不同点是：步骤三中所述的固相反应的时间为0.5h～4h。其它步骤与具体实施方式三至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式三至九之一不同点是：步骤三中所述的固相反应的温度为1300℃～1400℃。其它步骤与具体实施方式三至九相同。
以下内容为本发明的具体实施例，对本发明的技术方案做了进一步的详细说明，但是本发明的保护范围不限于以下实施例。
为了说明本发明制备的具有小晶粒尺寸的高熵陶瓷具有较优异的抗CMAS腐蚀能力，进行了高熵陶瓷块材的抗CMAS侵蚀实验，具体如下：
实施例1：一种具有小晶粒尺寸的抗CMAS腐蚀的高熵陶瓷材料制备方法，包括如下步骤：
一、球磨：
①、将纳米Yb2O3、纳米Tm2O3、纳米Lu2O3、纳米Sc2O3、纳米Er2O3和纳米SiO2混合，得到混合粉体Ⅰ；
步骤一①中所述的纳米Yb2O3、纳米Tm2O3、纳米Lu2O3、纳米Sc2O3、纳米Er2O3和纳米SiO2的摩尔比为1:1:1:1:1:10；
步骤一①中所述的纳米Yb2O3、纳米Tm2O3、纳米Lu2O3、纳米Sc2O3、纳米Er2O3和纳米SiO2的粒径均为30nm～70nm；
②、将混合粉体Ⅰ和分散剂混合，得到混合粉体Ⅱ；将混合粉体Ⅱ分散到去离子水中，再进行湿法球磨，得到浆料；
步骤一②中所述的分散剂为柠檬酸铵；步骤一②中分散剂占混合粉体Ⅱ质量的2％；
步骤一②中湿法球磨使用的磨球为ZrO2，磨球与混合粉体Ⅱ的质量比为3:1；
步骤一②中湿法球磨的时间为12h，使用的球磨机为滚动式球磨机；
步骤一②中浆料的固含量为35％；
③、将浆料放入烘箱中烘干，得到混合粉体Ⅲ；
二、压片：
使用压力机将混合粉体Ⅲ压成φ10mm×2mm圆片，得到块体原料；
三、固相反应：
将块体原料置于氧化锆坩埚中，再放入高温箱式炉中发生固相反应，得到具有小晶粒尺寸的抗CMAS腐蚀的高熵陶瓷材料(Yb0.2Tm0.2Lu0.2Sc0.2Er0.2)2Si2O7)；
步骤三中所述的固相反应的温度为1300℃，固相反应的时间为1h。
实施例1制备的具有小晶粒尺寸的抗CMAS腐蚀的高熵陶瓷材料的纯度不低于99wt％，孔隙率为6.7％。
实施例2：一种具有小晶粒尺寸的抗CMAS腐蚀的高熵陶瓷材料制备方法，包括如下步骤：
一、球磨：
①、将纳米Yb2O3、纳米Tm2O3、纳米Lu2O3、纳米Sc2O3、纳米Er2O3和纳米SiO2混合，得到混合粉体Ⅰ；
步骤一①中所述的纳米Yb2O3、纳米Tm2O3、纳米Lu2O3、纳米Sc2O3、纳米Er2O3和纳米SiO2的摩尔比为1:1:1:1:1:5.006；
步骤一①中所述的纳米Yb2O3、纳米Tm2O3、纳米Lu2O3、纳米Sc2O3、纳米Er2O3和纳米SiO2的粒径均为30nm～70nm；
②、将混合粉体Ⅰ和分散剂混合，得到混合粉体Ⅱ；将混合粉体Ⅱ分散到去离子水中，再进行湿法球磨，得到浆料；
步骤一②中所述的分散剂为柠檬酸铵；步骤一②中分散剂占混合粉体Ⅱ质量的2％；
步骤一②中湿法球磨使用的磨球为ZrO2，磨球与混合粉体Ⅱ的质量比为3:1；
步骤一②中湿法球磨的时间为12h，使用的球磨机为滚动式球磨机；
步骤一②中浆料的固含量为35％；
③、将浆料放入烘箱中烘干，得到混合粉体Ⅲ；
二、压片：
使用压力机将混合粉体Ⅲ压成φ10mm×2mm圆片，得到块体原料；
三、固相反应：
将块体原料置于氧化锆坩埚中，再放入高温箱式炉中发生固相反应，得到具有小晶粒尺寸的抗CMAS腐蚀的高熵陶瓷材料(Yb0.2Tm0.2Lu0.2Sc0.2Er0.2)2SiO5)；
步骤三中所述的固相反应的温度为1400℃，固相反应的时间为0.5h。
图1为实施例2制备的抗CMAS腐蚀的高熵陶瓷材料Yb0.2Tm0.2Lu0.2Sc0.2Er0.2)2SiO5的X射线衍射图谱；
图2为实施例2制备的抗CMAS腐蚀的高熵陶瓷材料Yb0.2Tm0.2Lu0.2Sc0.2Er0.2)2SiO5的TEM-EDX图；
从图1和图2可知，实施例2制备的抗CMAS腐蚀的高熵陶瓷材料Yb0.2Tm0.2Lu0.2Sc0.2Er0.2)2SiO5中的杂相为RE2Si2O7，通过增加SiO2和调整固相反应工艺可将杂相含量控制为≤5％。
实施例2制备的具有小晶粒尺寸的抗CMAS腐蚀的高熵陶瓷材料的纯度不低于95wt％，孔隙率为3.4％。
利用Nanomeasure软件测出的实施例1制备的抗CMAS腐蚀的高熵陶瓷材料(Yb0.2Tm0.2Lu0.2Sc0.2Er0.2)2Si2O7与为实施例2制备的抗CMAS腐蚀的高熵陶瓷材料Yb0.2Tm0.2Lu0.2Sc0.2Er0.2)2SiO5的晶粒尺寸分布图，见图3所示；
图3为实施例1制备的抗CMAS腐蚀的高熵陶瓷材料(Yb0.2Tm0.2Lu0.2Sc0.2Er0.2)2Si2O7与为实施例2制备的抗CMAS腐蚀的高熵陶瓷材料Yb0.2Tm0.2Lu0.2Sc0.2Er0.2)2SiO5的晶粒尺寸分布图，图中(a)为实施例1制备的抗CMAS腐蚀的高熵陶瓷材料(Yb0.2Tm0.2Lu0.2Sc0.2Er0.2)2Si2O7，(b)为实施例2制备的抗CMAS腐蚀的高熵陶瓷材料(Yb0.2Tm0.2Lu0.2Sc0.2Er0.2)2SiO5；
从图3可知，Nanomeasure软件测出实施例1制备的抗CMAS腐蚀的高熵陶瓷材料的晶粒尺寸范围为80nm～228nm，平均晶粒尺寸为144nm。实施例2制备的抗CMAS腐蚀的高熵陶瓷材料的晶粒尺寸范围为120nm～677nm，平均晶粒尺寸为391nm。
为了证明抗CMAS效果，实施例1和实施例2制备的抗CMAS腐蚀的高熵陶瓷材料进行如下高温CMAS腐蚀实验：
①、将氧化铝、氧化镁、氧化钙和氧化硅按摩尔比为45:9:33:13进行混合，将混合均匀的粉末放于管式炉中在1300℃的条件下热处理12h后过300目筛，得到最终的CMAS腐蚀粉末；
②、将CMAS粉末分别平铺在实施例1和实施例2制备的抗CMAS腐蚀的高熵陶瓷材料表面，涂覆密度为30mg/cm2，并在1300℃的条件下热处理48h后用扫描电子显微镜观察陶瓷截面形貌。实施例1制备的抗CMAS腐蚀的高熵陶瓷材料(Yb0.2Tm0.2Lu0.2Sc0.2Er0.2)2Si2O7块体材料与Yb2Si2O7块体材料在CMAS腐蚀1300℃-48h后的微观形貌分别如图3(a)和图3(b)所示。
实施例2制备的抗CMAS腐蚀的高熵陶瓷材(Yb0.2Tm0.2Lu0.2Sc0.2Er0.2)2SiO5块体材料与Yb2SiO5块体材料在CMAS腐蚀1300℃-48h后的微观形貌分别如图4(a)和图4(b)所示。
图4为实施例1制备的抗CMAS腐蚀的高熵陶瓷材料(Yb0.2Tm0.2Lu0.2Sc0.2Er0.2)2Si2O7与Yb2Si2O7在CMAS腐蚀1300℃-48h后的微观形貌图，图中(a)为实施例1制备的抗CMAS腐蚀的高熵陶瓷材料(Yb0.2Tm0.2Lu0.2Sc0.2Er0.2)2Si2O7，(b)为Yb2Si2O7；
由图4可见，实施例1制备的抗CMAS腐蚀的高熵陶瓷材(Yb0.2Tm0.2Lu0.2Sc0.2Er0.2
)2Si2O7仅在最靠近表面的部分薄区发生了腐蚀，腐蚀渗透深度最多不超过150μm，大部分区域依旧平整致密，即未发生腐蚀。而对于2mm厚的Yb2Si2O7来说，腐蚀已经渗透到底部，在顶部和CMAS交界处的腐蚀产物更明显，这是因为试样表层与CMAS的反应时间长，反应充分，腐蚀产物晶粒粗大，分布较为松散，所以在这部分区域发生了更严重的腐蚀反应。即在1300℃条件下CMAS腐蚀48小时后，Yb2Si2O7全部区域已被腐蚀且腐蚀情况严重，而高熵陶瓷材料(Yb0.2Tm0.2Lu0.2Sc0.2Er0.2)2Si2O7除了个别缺陷区域外几乎没有被腐蚀。单从腐蚀深度上来说，高熵陶瓷材料(Yb0.2Tm0.2Lu0.2Sc0.2Er0.2)2Si2O7比Yb2Si2O7的抗CMAS腐蚀效果至少提高了11倍。
图5为实施例2制备的抗CMAS腐蚀的高熵陶瓷材料(Yb0.2Tm0.2Lu0.2Sc0.2Er0.2)2SiO5与Yb2SiO5在CMAS腐蚀1300℃-48h后的微观形貌图，图中(a)为实施例2制备的抗CMAS腐蚀的高熵陶瓷材料(Yb0.2Tm0.2Lu0.2Sc0.2Er0.2)2SiO5，(b)为Yb2SiO5。
由图5可知，实施例2制备的抗CMAS腐蚀的高熵陶瓷材(Yb0.2Tm0.2Lu0.2Sc0.2Er0.2
)2SiO5的腐蚀深度约为110μm。而对于2mm厚的Yb2SiO5来说，腐蚀已经渗透到底部，试样整体表现为疏松多孔洞，甚至在顶部和CMAS交界处被腐蚀出很多大的孔洞。单从腐蚀深度上来说，高熵陶瓷材料(Yb0.2Tm0.2Lu0.2Sc0.2Er0.2)2SiO5比Yb2SiO5的抗CMAS腐蚀效果至少提高了16倍。
可见，无论是单硅酸盐还是双硅酸盐，在高熵化处理和小晶粒尺寸的共同作用下，抗CMAS腐蚀性能都有显著提升。

Claims (4)

1.一种具有小晶粒尺寸的抗CMAS腐蚀的高熵陶瓷材料的制备方法，其特征在于具有小晶粒尺寸的抗CMAS腐蚀的高熵陶瓷材料的纯度不低于95wt％，晶粒尺寸为85～700nm，孔隙率为1％-8％，其制备方法包括如下步骤：
一、球磨：
①、将五种纳米稀土氧化物和纳米SiO2混合，得到混合粉体Ⅰ；
步骤一①中所述的五种纳米稀土氧化物为纳米Yb2O3、纳米Lu2O3以及纳米Y2O3、纳米Tm2O3、纳米Sc2O3、纳米Er2O3和纳米Ho2O3中的任意三种，且五种纳米稀土氧化物为等摩尔比；
步骤一①中所述的五种纳米稀土氧化物和纳米SiO2的摩尔比为1:1:1:1:1:(5～10)；
步骤一①中所述的五种纳米稀土氧化物和纳米SiO2的粒径均为30nm～70nm；
②、将混合粉体Ⅰ和分散剂混合，得到混合粉体Ⅱ；将混合粉体Ⅱ分散到去离子水中，再进行湿法球磨，得到浆料；
③、将浆料进行干燥，得到混合粉体Ⅲ；
二、压片：
使用压力机将混合粉体Ⅲ压片，得到块体原料；
步骤三中所述的固相反应的温度为1300℃～1400℃，固相反应的时间为0.5h～4h；
三、固相反应：
将块体原料放入高温炉中发生固相反应，得到抗CMAS腐蚀的高熵陶瓷材料。
2.根据权利要求1所述的一种具有小晶粒尺寸的抗CMAS腐蚀的高熵陶瓷材料的制备方法，其特征在于步骤一②中所述的分散剂为柠檬酸铵；步骤一②中分散剂占混合粉体Ⅱ质量的0.5％～3％。
3.根据权利要求1所述的一种具有小晶粒尺寸的抗CMAS腐蚀的高熵陶瓷材料的制备方法，其特征在于步骤一②中湿法球磨使用的磨球为ZrO2，磨球与混合粉体Ⅱ的质量比为(2～5):1；步骤一②中湿法球磨的时间为0.5h～24h。
4.根据权利要求1所述的一种具有小晶粒尺寸的抗CMAS腐蚀的高熵陶瓷材料的制备方法，其特征在于步骤一②中浆料的固含量为25％～70％。
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