[發明專利]一種具有核殼結構熱障涂層材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201910409675.4
• 申請日: 2019-05-16
• 公開（公告）號: CN110104680B
• 公開（公告）日: 2021-06-08
• 發明（設計）人: 黃建平;劉安民;王穎;吳遠志;劉偉;鄧彬
• 申請（專利權）人: 湖南工學院
• 主分類號: C01G25/00
• 分類號: C01G25/00;C01F17/241;C01F17/10;C23C4/134;C23C4/11;B82Y30/00
• 代理公司: 長沙明新專利代理事務所(普通合伙) 43222
• 代理人: 徐新

一種具有核殼結構熱障涂層材料及其制備方法，所述具有核殼結構熱障涂層材料以鈰酸鹽為內核，以鋯酸鹽為殼層。本發明還包括所述具有核殼結構熱障涂層材料的制備方法。本發明之具有核殼結構熱障涂層材料，熱膨脹系數高、熱穩定性好，抗燒結性能更佳，隔熱效果更好，能更好地滿足熱障涂層材料的發展需求。

技術領域

本發明涉及一種具有核殼結構熱障涂層材料及其制備方法。

背景技術

目前常用的熱障涂層材料為8％wtY₂O₃穩定ZrO₂，即8YSZ。但這種熱障涂層材料在高于1200℃溫度下長期服役時，會產生相變，發生體積突變，從而形成裂紋甚至脫落而失效；還會發生嚴重燒結，致密度增大，熱導率也增大，降低了其隔熱效果；涂層燒結后，產生大量微裂紋，使得氧氣更容易滲透，加速基體的氧化。隨著航空發動機推重比的提高，對熱障涂層材料的提出了更高的要求，具體來說，要求熔點更高，服役溫度范圍內無相變發生，熱導率低，化學穩定性好，熱膨脹系數與金屬基體接近，燒結收縮率低，與基體界面結合力強等。世界各國競相開發能夠取代傳統8YSZ的新型熱障涂層材料，以滿足未來航空發機發展的需要。

目前已發現多種可能取代8YSZ的新型熱障涂層材料，如缺陷螢石結構的鈰酸鹽、燒綠石結構的鋯酸鹽、六鋁酸鹽等。其中鈰酸鹽和鋯酸鹽因具有更低的熱導率和較高的化學穩定性，即服役溫度高于1200℃甚至接近其熔點都不會產生相變行為成為人們關注的焦點，但它們各自又都具有局限性。鈰酸鹽的抗燒結性能較差，高溫下致密度增加，熱導率升高，隔熱性能變差。鋯酸鹽的熱膨脹系數較低，與鎳合金基片的熱錯配應力較大，容易產生裂紋甚至脫落。

CN108546907A公開了一種等離子物理氣相沉積用氧化釔穩定氧化鋯(YSZ)摻雜鈰酸鑭熱障涂層材料。其根本思想是綜合了YSZ材料的高強韌性和鈰酸鑭所具有的高穩定性和低導熱率。其通過球磨后噴霧分解的方式制備粉體，從根本上還是二者的機械混合。這樣制備的熱障涂層材料并不能解決YSZ材料在1200℃以上發生相變并且抗燒結性變差的特性。鈰酸鑭在1200～1500℃的抗燒結性能比較差，容易發生燒結并致密化，熱導率升高，隔熱性能下降。因此該混合物仍只在1200℃以下使用，難以滿足未來熱障涂層的發展要求。

CN106518062A公開了一種1600℃以內無相變的鈰釹復合鋯酸鹽熱障涂層材料(Ce_1-xNd_x)₂Zr₂O₇，這種復合材料具有燒綠石結構。當Nd含量超過20％時，可抑制Ce₂Zr₂O₇的分解，相結構溫度，導熱率低，隔熱效果好。但沒有指出鋯酸鹽材料的低熱膨脹系數。較低的熱膨脹系數會導致熱障涂層與高溫合金基體界面熱錯配應力增大，抗熱震循環性能變差，減少了熱障涂層的使用壽命。

據文獻報道，將鈰酸鑭與鋯酸鑭以原子摩爾比Ce:Zr＝3:7復合而成的復合材料，綜合性能最佳，但實質上仍為二者的機械混合物。沒有從根本上克服其缺點，比如高溫下仍有較高的燒結率；熱膨脹系數仍然較低，不能滿足熱障涂層材料的使用要求。

CN102503419A公開了一種利用硅酸鈣包覆YSZ的核殼結構熱障涂層復合材料，核殼結構的熱導率降低，抗燒結性能升高。這說明核殼結構引入的多層界面確實加強了對聲子的散射能力，起到了阻止YSZ材料在1200℃內高溫下燒結致密化的作用。但硅酸鹽并非熱障涂層材料，它本身抗熱性能不佳，作為玻璃箱硅酸鈣，在1000℃以上開始軟化，溫度越高其硬度越低，1500℃熔融。此外，在1200℃以上，YSZ還是仍然會發生相變，產生體積突變，并且抗燒結性能較低。因此硅酸鈣包覆的YSZ核殼結構熱障涂層材料強化了單純YSZ材料在1200℃以內的隔熱性能和抗燒結性能。并沒有提升其耐熱溫度，滿足未來熱障涂層材料的發展需求。