[發明專利]一種三元稀土摻雜YSZ熱障涂層材料及其制備方法

在審

• 申請號: 201611031256.4
• 申請日: 2016-11-18
• 公開（公告）號: CN106588042A
• 公開（公告）日: 2017-04-26
• 發明（設計）人: 王全勝;陳東;柳彥博;李金宇
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: C04B35/66
• 分類號: C04B35/66;C04B35/48;C04B35/622
• 代理公司: 北京理工大學專利中心11120
• 代理人: 楊志兵,李愛英

技術領域

本發明涉及一種三元稀土摻雜YSZ熱障涂層材料及其制備方法，具體涉及三元稀土摻雜氧化釔部分穩定氧化鋯材料成分設計及其制備方法。屬于涂層材料領域。

背景技術

熱障涂層是提高渦輪發動機和燃氣輪機熱端部件使用溫度最有效的手段，是先進航空發動機和燃氣輪機不可或缺的關鍵技術之一。目前在燃氣輪機中應用最為經典的熱障涂層材料為8YSZ(7～8wt％Y₂O₃部分穩定ZrO₂)，其優勢是具有高熱膨脹系數、低熱導率和低彈性模量。隨著渦輪發動機向高推重比發展，進口溫度不斷提高，如推重比12～15的一級發動機要求涂層工作溫度達到1400℃以上，而YSZ涂層使用溫度超過1200℃時會由于相變和燒結導致涂層失效，已經不能適應先進燃氣輪機更高的渦輪前溫度下長壽命服役的要求。為滿足新型熱障涂層的應用需求，必須開發新一代耐高溫、高隔熱的熱障涂層材料。

稀土氧化物具有較高的化學穩定性和熔點，能在ZrO₂晶格中有限固溶，因此稀土元素被用作ZrO₂的高溫穩定元素以期改善和提高傳統YSZ熱障涂層性能。目前的稀土氧化物摻雜改性研究主要集中在YSZ基材料基礎上添加其他一種或者兩種稀土元素。但是單一稀土元素摻雜僅能提高涂層某種性能，往往會忽視其他性能。兩種稀土穩定劑共同摻雜可在一定程度上改善單一元素穩定時所產生的不足，但其熱導率、相穩定性和抗燒結性能還不足以滿足熱障涂層所要求的性能。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的之一在于提供一種三元稀土摻雜YSZ熱障涂層材料，該熱障涂層材料擁有較低的熱導率，在高溫長時間保溫條件下具有優良的抗燒結性能，能夠實現高溫長時間保持原有相結構，較長時間保持優異的隔熱性能。本發明的目的之二在于提供一種制備所述三元稀土摻雜YSZ熱障涂層材料的方法。

為實現本發明的目的，采用以下技術方案：

一種三元稀土摻雜YSZ熱障涂層材料，所述熱障涂層材料組成以摩爾百分比計為：xLa₂O₃-yGd₂O₃-yYb₂O₃-4.0～4.5Y₂O₃-89～93ZrO₂，所有物質的摩爾總含量為100，x為0～1.5，y為1.5～2.5。

一種本發明所述三元稀土摻雜YSZ熱障涂層材料的制備方法，所述方法的具體步驟如下：

步驟1.將0.1～3μm的La₂O₃、Gd₂O₃、Y₂O₃、Yb₂O₃和ZrO₂粉末原料去除水分和雜質，得到潔凈的粉末原料。

步驟2.將潔凈的La₂O₃、Gd₂O₃、Y₂O₃、Yb₂O₃和ZrO₂粉末原料按照摩爾比為0:1.5:1.5:4.0:93～1.5:2.5:2.5:4.5:89裝入球磨罐中，加入無水乙醇和氧化鋯球，氧化鋯球質量：粉末原料：無水乙醇質量＝3:1:1～5:1:1，得到混合物。

步驟3.將上述所得混合物進行機械球磨2～4h，將球磨后的懸濁液蒸發干燥得到充分干燥的粉末。

步驟4.將上述干燥后的粉末研磨3分鐘以上，然后經1500℃～1550℃高溫燒結10～12h后冷卻至室溫，得到三元摻雜的氧化鋯基粉末。

步驟5.將所述氧化鋯基粉末經研磨至粒徑達到1mm以下，放入球磨罐中，加入氧化鋯磨球，球磨5～10min，氧化鋯磨球質量：氧化鋯基粉末質量＝5:1～7:1。

步驟6.球磨后的粉末經篩分得到粒度為0.2～2μm的粉末，即本發明所述的一種三元稀土摻雜YSZ熱障涂層材料。

優選的，步驟1中氧化物原料去除水分和雜質的方法為：將所述的氧化物原料分別裝入不同的剛玉坩堝，并置于箱式電阻爐中經900～1100℃焙燒1～2h，冷卻至室溫。

優選的，步驟2中球磨罐為聚氨酯或尼龍球磨罐。