本发明专利技术公开了一种多元稀土氧化物掺杂改性YSZ热喷涂粉末及其制备方法，利用该粉末制备涂层高温相稳定性和抗高温烧结性能相对传统8YSZ材料显著提高。本发明专利技术的Gd2O3‑Yb2O3‑Y2O3‑ZrO2(HfO2)粉末中Y2O3含量为5.5～6.5wt％，Gd2O3含量为2.5～3wt％，Yb2O3含量为2.5～3.5wt％，ZrO2‑HfO2合量为87～89.5wt％，HfO2含量为≤2wt％，HfO2为ZrO2伴生材料；原料采用浆料制备、喷雾干燥团聚造粒、烘干筛分、高温煅烧、等离子致密化处理、烘干及筛分等工艺流程，制备出松状密度在1.8～2.3g/cm3，流动性小于50s/50g，亚稳态四方相为主的球形热喷涂粉末；该粉末利用了多次不同热处理方式提高了喷涂粉末及所喷涂涂层的高温稳定性和性能，使用该粉末等离子喷涂涂层在1200℃下燃气热冲击寿命达到2300次以上，远高出同一条件下8YSZ涂层寿命。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种制备高性能热喷涂热障涂层陶瓷层粉末的方法。
技术介绍
热障涂层(ThermalBarrierCoating，TBC)被广泛应用于燃气涡轮发动机热端部件表面，其具有良好的隔热、抗高温氧化和腐蚀性能，会显著提高热端部件服役温度和服役寿命。现代燃气涡轮发动机由于追求更高热效率或推重比，涡轮前温度不断提高，目前先进燃气涡轮发动机涡轮前温度已经高达1400℃，即使使用先进的冷却结构设计技术，高压涡轮叶片表面温度也超过了合金使用温度，必须使用热障涂层技术对叶片进行防护。由于现代燃气涡轮发动机涡轮前温度不断提高，而传统的热障涂层陶瓷层材料ZrO2-8％Y2O3(氧化钇部分稳定氧化锆，简称8YSZ)由于其在冷热交替下相变和高温下微孔结构涂层高烧结速率，导致其长时间使用温度不能超过1200℃，更优异耐温性的新型热障涂层材料是面向高性能燃气涡轮发动机热端部件必然发展(参考文献：曹学强.(2016).“热障涂层新材料和新结构.”科学出版社:71-75)。发展新型稀土氧化物基或稀土化合物热障涂层材料是替代YSZ材料的技术途径之一，这类材料的特性是室温至使用温度之间无结构相变，具有较低热导率，高热膨胀系数。这类材料典型的结构有萤石、烧绿石、钙钛矿、磁铁铅矿等，主要为铈酸、锆酸、镁基六铝酸的稀土盐类，其中主要以La系、Sm系、Gd系为主，其中铈酸盐、锆酸盐均具有典型的A2B2O7化合物，但这一类新型热障涂层材料的关键是具有较低的断裂韧性，相对而言仅为YSZ涂层的1/2到1/3左右，而断裂韧性是决定涂层热循环过程中裂纹扩展能力的关键参数，涂层材料断裂韧性越高，其抑制裂纹扩展能力越强(参考文献：WeiPan,SimonR.Phillpot,ChunleiWan,etal.,(2012).“Lowthermalconductivityoxides.”MRSBULLETIN,2012,37(10):917-922)。由于新一代热障涂层材料存在上述问题，在具有较佳综合性能8YSZ材料基础上开展掺杂改性优化研究，主要以多元稀土氧化物掺杂改性为主，通过CeO2、Sc2O3、Gd2O3、Yb2O3、Nd2O3等单元或多元稀土氧化物进行掺杂改性，从而获得稳定的氧化物缺陷簇、纳米相(5～100nm)、及稳定的热力学性能，以提高材料的高温稳定性(抗烧结和相变)，降低材料的热导率和提高材料的使用温度。魏秋利等人的专利(ZL200610078740)中提到了使用电子束物理气相沉积工艺制备的稀土氧化物物掺杂氧化锆基热障涂层，当掺杂量大于10mol％时，涂层热导率比传统涂层降低30％～50％，隔热效果提高30％～100％。郭洪波等人的专利(ZL200910237548.7)提出了一种带网状结构等离子喷涂技术制备的多元稀土氧化物掺杂氧化锆热障涂层及其制备方法，认为涂层在1300℃下具有优异的高温相稳定性，在1200～1300℃、保温3min、冷却2min热冲击条件下，涂层热冲击寿命大于4000次，远超同一条件下常规结构涂层。等离子喷涂由于依靠粒子部分熔化以一定速度撞击基体形成片层状结构涂层，等离子喷涂过程中粉末粒子温度可到2000～3000℃，粒子速度可达180～300m/s，该条件下不能实现类似气相沉积的原子级结合，也很难促进材料中游离态稀土元素进入氧化锆晶格中，游离态稀土离子具有较强吸潮性，会显著降低涂层性能，同时较高含量游离态稀土离子存在，不能实现掺杂改性提高涂层性能目标。因而等离子喷涂多元稀土掺杂改性YSZ喷涂粉末相当关键，应满足要求：①实现尽可能多的不同稀土离子半径元素进入氧化锆晶格中；②具备合适的物理性能以满足等离子喷涂工艺适配性要求，从而从涂层成分和结构两个方面实现较佳的涂层性能。传统的等离子喷涂陶瓷粉末合成加工工艺主要依靠氧化物粉末混合球磨→固相合成→研磨破碎→浆料制备→喷雾干燥造粒→烧结→筛分的工艺流程制备，该方法缺点是依靠固态扩散实现稀土元素的掺杂，很难保证掺杂元素完全进入氧化锆晶格中，从而实现高性能多元稀土氧化物掺杂改性YSZ涂层的制备。因此，如何开发一种高性能多元稀土氧化物掺杂改性YSZ喷涂粉末，提高稀土元素固溶程度，改善传统工艺制备改性YSZ喷涂材料缺点，成为本领域技术人员亟待解决的问题。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术提出了一种热喷涂多元稀土氧化物掺杂改性YSZ粉末及其制备方法，以解决现有技术多元稀土氧化物掺杂改性YSZ粉末制备方法中稀土元素固溶程度低的缺陷。为实现上述目的，本专利技术提出一种多元稀土氧化物掺杂改性YSZ喷涂粉末的制备方法，包括：步骤一：取原材料粉末，原材料中Y2O3含量为5.5～6.5wt％，Gd2O3含量为2.5～3wt％，Yb2O3含量为2.5～3.5wt％，ZrO2-HfO2合量为87～89.5wt％，HfO2含量为≤2wt％，HfO2为ZrO2伴生材料；步骤二：浆料制备：将原材料粉末和纯水进行混合，配置固含量为45～55％的浆料，使用搅拌球磨机进行球磨，球磨后浆料过20目筛；步骤三：团聚造粒：使用离心喷雾干燥造粒系统，在8000～10800rpm雾化盘转速条件下进行喷雾干燥造粒处理；步骤四：烘干及筛分：将团聚造粒后粉末在90～110℃下、烘干处理1～2h，烘干后筛分至170目～270目；步骤五：高温煅烧：将筛分后粉末在1395～1405℃下，煅烧20～40min，升温速率为3～5℃/min；步骤六：等离子致密化处理：利用北京金轮坤天特种机械有限公司9MB双侧内送粉等离子喷枪，在电压：35～45V；电流390～410A；主气流量Ar：1300±50格；次气流量N2：<430格；送粉量：50～70g/min条件下进行粉末等离子致密化处理，等离子致密化粉末喷射至距喷枪290～310mm纯水中淬冷；以及步骤七：烘干及筛分：将粉末进行在300℃～400℃下烘干1～3h，随后将烘干后粉末筛分至200目～325目，获得热喷涂粉末。较佳地，步骤一中，所述原材料使用化学合成工艺制备。较佳地，所述原材料经过喷雾干燥和煅烧，平均颗粒尺寸小于200nm，原料中无单斜相存在。较佳地，步骤二中，搅拌球磨机配备氧化锆磨球，球磨机内衬聚氨酯，球磨机转速为300±50rpm，球磨时间为2～4h，在球磨最10～20min添加0～0.1％PVA作为粘结剂，球磨完成后，浆料过20目标准筛。较佳地，步骤三中，高速离心喷雾干燥系统进口温度为240～260℃、出口温度为110～130℃。而且，为实现上述目的，本专利技术还提出上述多元稀土氧化物掺杂改性YSZ喷涂粉末的制备方法所制备的多元稀土氧化物掺杂改性YSZ喷涂粉末。较佳地，所述喷涂粉末主要成分为Gd2O3-Yb2O3-Y2O3-ZrO2(HfO2)，以亚稳态四方相为主晶体结构。较佳地，所述喷涂粉末主要成分含量大于99.9％。较佳地，所述喷涂粉末松装密度为1.8～2.3g/cm3，流动性小于50s/50g。采用本方法制备的多元稀土氧化物掺杂改性YSZ喷涂粉末的优点在于：(1)经过二次团聚处理，可以获得球形度较高的粉末，提高粉末流动性和喷涂过程中涂层微结构均匀性；(2)经过短时间高温煅烧和等离子致密化处理制备喷涂粉末，减少喷涂粉末中游离态稀土离子含量本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种多元稀土氧化物掺杂改性YSZ喷涂粉末的制备方法，其特征在于，包括：步骤一：称量原材料，原材料中Y2O3含量为5.5～6.5wt％，Gd2O3含量为2.5～3wt％，Yb2O3含量为2.5～3.5wt％，ZrO2‑HfO2合量为87～89.5wt％，HfO2含量为≤2wt％，HfO2为ZrO2伴生材料；步骤二：浆料制备：将原材料粉末和水进行混合，配置固含量为45～55％的浆料，使用搅拌球磨机进行球磨，球磨后浆料过20目筛网处理；步骤三：团聚造粒：使用离心喷雾干燥系统，在8000～10800rpm雾化盘转速条件下进行喷雾干燥造粒处理；步骤四：烘干及筛分：将团聚造粒后粉末在90～110℃下、烘干处理1～2h，烘干后筛分至170目～270目；步骤五：高温煅烧：将筛分后粉末在1395‑1405℃下，煅烧20～40min，升温速率为3～5℃/min；步骤六：等离子致密化处理：利用双侧内送粉等离子喷枪，在电压：35～45V；电流390～410A；主气流量Ar：1300±50格；次气流量N2：<430格；送粉量：50～70g/min条件下进行粉末等离子致密化处理，等离子致密化粉末喷射至距喷枪290～310mm纯水中淬冷；以及步骤七：烘干及筛分：将粉末进行在300℃～400℃下烘干1～3h，随后将烘干后粉末筛分至200目～325目，获得热喷涂粉末。...
【技术特征摘要】
1.一种多元稀土氧化物掺杂改性YSZ喷涂粉末的制备方法，其特征在于，包括：步骤一：称量原材料，原材料中Y2O3含量为5.5～6.5wt％，Gd2O3含量为2.5～3wt％，Yb2O3含量为2.5～3.5wt％，ZrO2-HfO2合量为87～89.5wt％，HfO2含量为≤2wt％，HfO2为ZrO2伴生材料；步骤二：浆料制备：将原材料粉末和水进行混合，配置固含量为45～55％的浆料，使用搅拌球磨机进行球磨，球磨后浆料过20目筛网处理；步骤三：团聚造粒：使用离心喷雾干燥系统，在8000～10800rpm雾化盘转速条件下进行喷雾干燥造粒处理；步骤四：烘干及筛分：将团聚造粒后粉末在90～110℃下、烘干处理1～2h，烘干后筛分至170目～270目；步骤五：高温煅烧：将筛分后粉末在1395-1405℃下，煅烧20～40min，升温速率为3～5℃/min；步骤六：等离子致密化处理：利用双侧内送粉等离子喷枪，在电压：35～45V；电流390～410A；主气流量Ar：1300±50格；次气流量N2：<430格；送粉量：50～70g/min条件下进行粉末等离子致密化处理，等离子致密化粉末喷射至距喷枪290～310mm纯水中淬冷；以及步骤七：烘干及筛分：将粉末进行在300℃～400℃下烘干1～3h，随后将烘干后粉末筛分至200目～325目，获得热喷涂粉末。2.根据权利要求1所述的多元稀土氧化物掺杂改性YSZ喷涂粉末的制备方...
【专利技术属性】
技术研发人员：何箐，
申请(专利权)人：中国农业机械化科学研究院，北京金轮坤天特种机械有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11
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