[發明專利]一種YSZ基復合熱障涂層材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201110340803.8
• 申請日: 2011-11-02
• 公開（公告）號: CN102503419A
• 公開（公告）日: 2012-06-20
• 發明（設計）人: 趙君;鄭學斌;謝有桃;黃利平;季珩;牛亞然
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: C04B35/48
• 分類號: C04B35/48;C04B35/628;C04B35/622
• 代理公司: 上海海頌知識產權代理事務所(普通合伙) 31258
• 代理人: 何葆芳

技術領域

本發明涉及一種熱障涂層材料及其制備方法，具體說，是涉及一種硅酸鈣改性的YSZ基復合熱障涂層材料及其制備方法，屬于熱障涂層材料技術領域。

背景技術

摻入氧化釔穩定的氧化鋯(YSZ)因具有低的熱導率(～2.3W·m^-1·K^-1，1000℃)和高的熱膨脹系數(～11×10^-6℃^-1)，可產生明顯的隔熱效果，且能有效地減弱陶瓷涂層和基材(熱膨脹系數為～14×10^-6℃^-10)之間的熱膨脹失配，因此是目前應用比較廣泛的熱障涂層材料。此外，等離子體噴涂YSZ涂層中的微裂紋、氣孔等可成為應力釋放中心，使其作為熱障涂層具有較好的應力容變特性。目前，對YSZ涂層材料的研究雖然獲得一些有益結果，但仍然存在不少問題，其中較明顯的是在高溫服役環境中涂層微觀結構如晶粒尺寸、氣孔形貌、氣孔率的變化，YSZ發生燒結而變致密，導致涂層熱物理性能和機械性能不穩定，如熱導率升高，拉伸應力和彈性模量增大，應變容限降低，同時發生燒結后的涂層硬脆，斷裂韌性降低，嚴重影響到涂層服役的可靠性和使用壽命。如何調控熱障涂層中晶粒的高溫生長行為，提高涂層的抗燒結性能已經成為熱障涂層材料研究的一項重要內容。

傳統的YSZ熱障涂層材料所具有的優良性能使人們在尋求更高性能的材料時并沒有完全放棄它。人們嘗試摻雜具有適合TBCs熱物性能的材料改善YSZ涂層性能，雖然這些材料在一定程度上提高了涂層的抗燒結性能，降低了涂層的熱導率。但摻雜這些材料存在的問題也不容忽視。例如添加CeO₂，Ce離子的變價可導致大量氧空位的產生，這將促進氧在高溫下向結合層擴散，加速結合層的氧化，進而導致涂層失效；在YSZ中加入La₂O₃使涂層的熱膨脹系數有所降低，從而降低了涂層的熱循環壽命，且涂層的相穩定性和壽命隨La₂O₃含量的增加而降低。因此迫切需要研究其它途徑對YSZ熱障涂層材料進行改性。

發明內容

針對現有技術所存在的上述問題和缺陷，本發明的目的是提供一種YSZ基復合熱障涂層材料及其制備方法，為本領域增添一種高溫抗燒結能力強、熱導率低的熱障涂層材料。

為實現上述發明目的，本發明采用的技術方案如下：

一種YSZ基復合熱障涂層材料，是由具有核殼結構的硅酸鈣包覆YSZ材料的復合粉體經等離子體噴涂方法制備而得。

所述的復合粉體中硅酸鈣所占的質量百分比為5～40％，其余為YSZ材料。

所述的YSZ材料是摻入6～8wt％氧化釔(Y₂O₃)穩定的氧化鋯(ZrO₂)。

一種上述的YSZ基復合熱障涂層材料的制備方法，包括如下步驟：

①制備具有核殼結構的硅酸鈣包覆YSZ材料的復合粉體；

②以獲得的復合粉體為原料，采用大氣等離子噴涂技術制備涂層。

進一步，所述的具有核殼結構的硅酸鈣包覆YSZ材料的復合粉體的制備包括如下步驟：

a)將YSZ材料加到無水乙醇中，在45～55℃攪拌使形成懸浮液，再加入水和硝酸使混合均勻；

b)加入正硅酸乙酯，在45～55℃攪拌至正硅酸乙酯完全水解；

c)加入Ca(NO₃)₂·4H₂O，攪拌至混合均勻，干燥，得前驅體；

d)將得到的前驅體進行燒結。

步驟a)中的YSZ材料與無水乙醇的質量比推薦為1∶5～1∶2。

步驟a)中的水與硝酸的摩爾比優選為10∶1。

正硅酸乙酯與Ca(NO₃)₂·4H₂O的摩爾比優選為1∶2。

正硅酸乙酯與水的摩爾比優選為1∶10。

步驟c)中的Ca(NO₃)₂·4H₂O與YSZ材料的質量比推薦為1∶7～9∶5。

步驟c)中的干燥溫度推薦為80～100℃。

步驟d)中的燒結條件推薦為：以3～8℃/分鐘的升溫速率升溫到1350～1450℃，然后保溫1～2小時。