[發明專利]一種復合稀土鋯酸鹽熱障涂層陶瓷材料及其制備方法

無效

• 申請號: 200810064416.4
• 申請日: 2008-04-30
• 公開（公告）號: CN101269960A
• 公開（公告）日: 2008-09-24
• 發明（設計）人: 歐陽家虎;劉占國;周玉
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: C04B35/48
• 分類號: C04B35/48
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所
• 代理人: 金永煥

技術領域

本發明涉及一種熱障涂層陶瓷材料及其制備方法

背景技術

隨著航空航天工業的迅速發展，發動機向著高推重比方向迅速發展，渦輪葉片的進口溫度也隨之提高。國外上世紀70年代研制的發動機，渦輪葉片前燃氣進口溫度已達到1300℃以上；90年代，發動機渦輪葉片前燃氣進口溫度已達到1550℃～1650℃。為了適應如此高的燃氣溫度，相應的措施有三種：一是開發出更先進的高溫單晶合金材料；二是進一步改進冷卻技術；三是開發出高性能熱障涂層陶瓷材料。目前，第一種措施高溫合金的發展已進入第五代，進一步提高高溫合金工作溫度的潛力已十分有限；第二種措施氣膜冷卻技術已經趨于完善，要更進一步提高冷卻效率就必須相應的增加冷卻氣體流量，而冷卻氣體流量的增加必然是以犧牲發動機的熱效率為代價。因此，開發出高性能(低熱導、高熱膨脹)熱障涂層陶瓷材料是改變這種狀況的最佳途徑。熱障涂層在提高熱端部件抗高溫腐蝕能力的同時，使其能承受更高的使用溫度，并具有提高發動機的工作溫度、延長熱端部件使用壽命的效果。

目前發動機中使用的熱障涂層陶瓷材料是7～8wt.％Y₂O₃-ZrO₂陶瓷材料，現有的這種熱障涂層具有較低的熱導率，較高的熱膨脹系數及良好的抗熱沖擊性，但長期使用溫度不能超過1200℃。當超過1200℃時，相變嚴重(3％～5％的體積變化)、熱導率高達3.0W/(m·K)、熱膨脹系數低到10×10^-6/K。這樣熱障涂層將產生裂紋、脫落、從而失效，致使發動機無法正常運行。

發明內容

本發明目的是為了解決現有熱障涂層陶瓷材料的溫度超過1200℃時存在相變嚴重、熱導率較高和熱膨脹系數較低等問題，而提供一種復合稀土鋯酸鹽熱障涂層陶瓷材料及其制備方法。

一種復合稀土鋯酸鹽熱障涂層陶瓷材料的分子式為(Ln_xYb_1-x)₂Zr₂O₇，按摩爾比由2摩爾的氧化鋯、x摩爾的稀土氧化物Ln₂O₃和1-x摩爾的稀土氧化物Yb₂O₃制成；其中0＜x＜1，稀土氧化物Ln₂O₃中的Ln為Nd、Sm、Gd中一種；稀土氧化物Ln₂O₃中的Ln為Nd、Sm和Gd中的兩種或兩種以上稀土元素組成。

本發明復合稀土鋯酸鹽熱障涂層陶瓷材料中Ln³⁺與Yb³⁺的數目之和等于Zr⁴⁺的數目。

制備復合稀土鋯酸鹽熱障涂層陶瓷材料按以下步驟實現：一、將摩爾比為2摩爾的氧化鋯、x摩爾的稀土氧化物Ln₂O₃和1-x摩爾的稀土氧化物Yb₂O₃混合，得混合粉體；二、加入與混合粉體等體積的去離子水，球磨6～12h，得混合溶液；三、將混合溶液在溫度為120℃的條件下烘干，得烘干的混合粉體；四、將烘干后混合粉體放入空氣氣氛中，從室溫以5℃/min的升溫速度升溫到1000～1250℃，并保溫熱處理4～12h，然后冷卻至室溫，再球磨22～26h，得到粉體A；五、將粉體A從室溫以5℃/min的升溫速度升溫到1250～1350℃，并保溫熱處理4～12h，冷卻至室溫，再球磨22～26h，得到粉體B；六、將粉體B從室溫以5℃/min的升溫速度升溫到1350～1450℃，并保溫熱處理4～12h，冷卻至室溫，再球磨22～26h，得到粉體C；七、將粉體C放在冷等靜壓機中，在100～320MPa下冷等靜壓成型，得坯體；八、將坯體放入高溫空氣爐中，從室溫以5℃/min升溫速度升溫到1550～1750℃，然后燒結5～30h，再隨爐冷卻，即得復合稀土鋯酸鹽熱障涂層陶瓷材料；步驟一中稀土氧化物Ln₂O₃中的Ln為Nd、Sm、Gd中一種；稀土氧化物Ln₂O₃中的Ln為Nd、Sm和Gd中的兩種或兩種以上稀土元素組成；步驟一中0＜x＜1。

本發明通過設計具有不同離子半徑稀土氧化物的組元來調控復合稀土鋯酸鹽的結構，從而顯著增強材料的高溫相穩定性。