[發明專利]稀土改性Sm2Ce2O7熱障涂層陶瓷材料及其制備方法

無效

• 申請號: 201210334622.9
• 申請日: 2012-09-12
• 公開（公告）號: CN102992764A
• 公開（公告）日: 2013-03-27
• 發明（設計）人: 張紅松;陳曉鴿;楊樹森;張政;李斌;李剛;李振軍;耿向前
• 申請（專利權）人: 河南工程學院
• 主分類號: C04B35/50
• 分類號: C04B35/50;C04B35/622
• 代理公司: 鄭州中原專利事務所有限公司 41109
• 代理人: 張紹琳

技術領域

本發明主要涉用三價稀土元素對Sm₂Ce₂O₇進行A位摻雜的熱障涂層用陶瓷材料，用于A位摻雜的三價稀土元素包括La,、Nd、Gd、Dy、?Er和?Yb，其摻雜量在0-1mol之間均可。?

技術背景

在先進航空渦輪發動機中，為保護高溫下工作的發動機葉片、燃燒室等關鍵金屬部件并提高燃油經濟性，需要在這些關鍵金屬部件上面制備陶瓷涂層，這層陶瓷涂層就稱為熱障涂層。典型的熱障涂層主要包括三部分，從外向里依次為表面陶瓷層、金屬粘結層和金屬基體。其中表面陶瓷層主要起隔熱作用，金屬粘結層主要功能是緩解表面陶瓷層與金屬基體因熱膨脹不匹配而產生的熱應力，同時還可以保護金屬基體不被氧化。目前，熱障涂層的制備方法主要有等離子噴涂法和電子束物理氣相沉積技術，無論哪一種制備方法，熱障涂層要想更好的發揮其隔熱作用，必須牢固的附著在金屬基體之上。在已有的熱障涂層中，由于氧化釔部分穩定氧化鋯（Y₂O₃?stabilized?zirconia,簡稱YSZ）陶瓷具有較低的熱導率（平均約為2.3W/m.K），較高的熱膨脹系數(9×10^-6/℃)及良好的高溫相穩定性能（<1200℃），而成為現役應用最廣的熱障涂層。?

???然而，隨著航空發動機向高流量比、高推重比、高渦輪進口溫度方向發展，其燃燒室關鍵熱端部件的工作溫度將超過1500℃。在這樣的高溫下，現役的YSZ熱障涂層，由于其表層陶瓷材料YSZ在高溫下會發生相轉變，且燒結收縮嚴重等一系列問題，不僅使涂層的隔熱性能下降，而且涂層的工作壽命也急劇降低，該類涂層已難于滿足航空發動機技術發展的需要。為此，必須設法克服現役YSZ熱障涂層的這一缺陷。就此問題而言，目前公認的有三種途徑：(1)采用葉片冷卻技術，如巧妙設計空心葉片的幾何形狀或葉片的冷氣膜設計等；(2)采用真空熔煉和精密鑄造技術研制新型的高溫合金，如定向凝固和單晶葉片；（3）開發新型的熱障涂層陶瓷材料。就(1)而言，隨著葉片設計和制造技術的改進，人們得到的效益增長速率正在下降，目前要想通過單一的冷卻結構設計使發動機葉片工作溫度再提高幾百攝氏度極端困難；而對于高溫合金材料而言，既要具有高強度以滿足設計許用應力的要求，又要在長期的運轉中具備較高的化學穩定性(即耐高溫氧化、抗腐蝕性能)，這兩方面的要求很難同時達到。最好的途徑是在采用先進冷卻技術和開發高溫合金的前提下，開發新型的熱障涂層陶瓷材料以替代YSZ陶瓷。?

新型的熱障涂層用陶瓷材料需滿足以下幾點主要要求：（1）較低的熱導率（<2.0W/m.K）;（2）較高的熱膨脹系數（>9×10^-6/℃）;(3)良好的高溫想穩定性能（>1200℃）。目前，已經報道的新型熱障涂層陶瓷材料，主要有三類，一類稀土摻雜的ZrO₂基陶瓷材料，第二類是化學式為Ln₂Zr₂O₇（Ln代表三價稀土元素）的稀土鋯酸鹽；第三類是近3-5年中報道的其它新型陶瓷，主要有Nd₂Ce₂O₇,?La₂Ce₂O₇,稀土改性的?Ba_1-xLn_xNd₂(Ti_1-yLn_y)₃O₁₀類陶瓷，鋇鑭鈦Ba_1-xLn_xSm₂(Ti_1-yLn_y)₃O₁₀，鋇釹鈦Ba_1-xLn_xNd₂(Ti_1-yLn_y)₃O₁₀，鉻酸鑭La_2.0～3.0Cr_2.0～2.5O_6.0～7.5，以及InFeZnO₄等，但國內有關三價稀土元素摻雜的Sm₂Ce₂O₇陶瓷材料的研究尚屬空白。?

發明內容