一种三元稀土掺杂YSZ热障涂层材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种三元稀土掺杂YSZ热障涂层材料及其制备方法，属于涂层材料领域。该热障涂层材料组成以摩尔百分比计为：xLa2O3‑yGd2O3‑yYb2O3‑4.0～4.5Y2O3‑89～93ZrO2，所有物质的摩尔总含量为100，x为0～1.5，y为1.5～2.5。本发明专利技术所述的三元稀土掺杂YSZ热障涂层材料的热导率与一元或二元掺杂YSZ热障涂层材料比热导率低10～20％，在高温长时间保温条件下能够保持原有相结构，保持优异的隔热性能及抗烧结性能，可满足航空发动机和地面燃气轮机热端部件热障涂层在高温下长时间服役。

Three rare earth doped YSZ thermal barrier coating material and preparation method thereof

The invention relates to a rare earth doped three YSZ thermal barrier coating material and a preparation method thereof, which belongs to the field of coating materials. The thermal barrier coating material made of the molar percentage is xLa2O3 yGd2O3 yYb2O3 4 ~ 4.5Y2O3, 89 ~ 93ZrO2, the total molar content of all material was 100, X was 0 ~ 1.5, 1.5 ~ 2.5 y. The three element of rare earth doped YSZ thermal barrier coating materials and thermal conductivity of one or two doped YSZ thermal barrier coating material heat conductivity low 10 ~ 20%, in high temperature insulation for a long time to be able to maintain the original structure under the condition of maintaining excellent insulation performance and anti sintering performance, can meet the aircraft and ground hot end components of gas turbine thermal barrier coating at high temperature for long time.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种三元稀土掺杂YSZ热障涂层材料及其制备方法，具体涉及三元稀土掺杂氧化钇部分稳定氧化锆材料成分设计及其制备方法。属于涂层材料领域。
技术介绍
热障涂层是提高涡轮发动机和燃气轮机热端部件使用温度最有效的手段，是先进航空发动机和燃气轮机不可或缺的关键技术之一。目前在燃气轮机中应用最为经典的热障涂层材料为8YSZ(7～8wt％Y2O3部分稳定ZrO2)，其优势是具有高热膨胀系数、低热导率和低弹性模量。随着涡轮发动机向高推重比发展，进口温度不断提高，如推重比12～15的一级发动机要求涂层工作温度达到1400℃以上，而YSZ涂层使用温度超过1200℃时会由于相变和烧结导致涂层失效，已经不能适应先进燃气轮机更高的涡轮前温度下长寿命服役的要求。为满足新型热障涂层的应用需求，必须开发新一代耐高温、高隔热的热障涂层材料。稀土氧化物具有较高的化学稳定性和熔点，能在ZrO2晶格中有限固溶，因此稀土元素被用作ZrO2的高温稳定元素以期改善和提高传统YSZ热障涂层性能。目前的稀土氧化物掺杂改性研究主要集中在YSZ基材料基础上添加其他一种或者两种稀土元素。但是单一稀土元素掺杂仅能提高涂层某种性能，往往会忽视其他性能。两种稀土稳定剂共同掺杂可在一定程度上改善单一元素稳定时所产生的不足，但其热导率、相稳定性和抗烧结性能还不足以满足热障涂层所要求的性能。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的之一在于提供一种三元稀土掺杂YSZ热障涂层材料，该热障涂层材料拥有较低的热导率，在高温长时间保温条件下具有优良的抗烧结性能，能够实现高温长时间保持原有相结构，较长时间保持优异的隔热性能。本专利技术的目的之二在于提供一种制备所述三元稀土掺杂YSZ热障涂层材料的方法。为实现本专利技术的目的，采用以下技术方案：一种三元稀土掺杂YSZ热障涂层材料，所述热障涂层材料组成以摩尔百分比计为：xLa2O3-yGd2O3-yYb2O3-4.0～4.5Y2O3-89～93ZrO2，所有物质的摩尔总含量为100，x为0～1.5，y为1.5～2.5。一种本专利技术所述三元稀土掺杂YSZ热障涂层材料的制备方法，所述方法的具体步骤如下：步骤1.将0.1～3μm的La2O3、Gd2O3、Y2O3、Yb2O3和ZrO2粉末原料去除水分和杂质，得到洁净的粉末原料。步骤2.将洁净的La2O3、Gd2O3、Y2O3、Yb2O3和ZrO2粉末原料按照摩尔比为0:1.5:1.5:4.0:93～1.5:2.5:2.5:4.5:89装入球磨罐中，加入无水乙醇和氧化锆球，氧化锆球质量：粉末原料：无水乙醇质量＝3:1:1～5:1:1，得到混合物。步骤3.将上述所得混合物进行机械球磨2～4h，将球磨后的悬浊液蒸发干燥得到充分干燥的粉末。步骤4.将上述干燥后的粉末研磨3分钟以上，然后经1500℃～1550℃高温烧结10～12h后冷却至室温，得到三元掺杂的氧化锆基粉末。步骤5.将所述氧化锆基粉末经研磨至粒径达到1mm以下，放入球磨罐中，加入氧化锆磨球，球磨5～10min，氧化锆磨球质量：氧化锆基粉末质量＝5:1～7:1。步骤6.球磨后的粉末经筛分得到粒度为0.2～2μm的粉末，即本专利技术所述的一种三元稀土掺杂YSZ热障涂层材料。优选的，步骤1中氧化物原料去除水分和杂质的方法为：将所述的氧化物原料分别装入不同的刚玉坩埚，并置于箱式电阻炉中经900～1100℃焙烧1～2h，冷却至室温。优选的，步骤2中球磨罐为聚氨酯或尼龙球磨罐。优选的，步骤3中机械球磨操作在行星式球磨机中进行；蒸发干燥的方法为：将球磨混合好的悬浊液倒入容器中，在旋转蒸发仪上水浴加热干燥至乙醇挥发完全，干燥后的粉末置于干燥箱中干燥20～24h，干燥温度为80～120℃。优选的，步骤4中所述的高温烧结是将研磨后的粉末装入刚玉坩埚中进行的。优选的，步骤5所述的研磨操作使用玛瑙研磨钵进行。优选的，步骤6中筛分操作使用标准检验筛进行。有益效果(1)本专利技术所述的一种三元稀土掺杂YSZ热障涂层材料拥有较低的热导率，与一元或者二元掺杂YSZ相比热导率降低10-20％，在高温长时间保温条件下具有优良的抗烧结性能，能够实现高温长时间保持原有相结构，较长时间保持优异的隔热性能。(2)本专利技术所述的制备一种三元稀土掺杂YSZ热障涂层材料的方法，该方法操作简单精准，成本低，可靠性强。附图说明图1为实施例1中制备的三元稀土掺杂YSZ热障涂层材料(LaGYYSZ)及对比实施例制备的二元稀土掺杂YSZ热障涂层材料(GYYSZ)的热导率图。图2为实施例1中制备的三元稀土掺杂YSZ热障涂层材料(LaGYYSZ)1400℃保温150小时前后XRD图谱。图3为实施例1制备的三元稀土掺杂YSZ热障涂层材料及对比实施例制备的二元稀土掺杂YSZ热障涂层材料在1400℃保温条件下密度随时间变化曲线。图4为实施例1中制备的三元稀土掺杂YSZ热障涂层材料(LaGYYSZ)热膨胀系数图，测试温度为室温至1400℃。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术作进一步的阐述，但实施例并不限制本专利技术的保护范围。对以下实施例制备得到的三元稀土掺杂YSZ热障涂层材料(LaGYYSZ)及对比实施例进行如下测试：(1)热导率测试：采用LAF-427激光闪射仪测试材料热导率，测试条件：Ar气保护，表面涂覆石墨；测试温度为600℃、800℃、1000℃。(2)X射线衍射分析：采用荷兰PANalytical公司生产的X’PertPROMPD型多晶X射线衍射分析仪进行分析；试验条件：Cu靶，Kα，Ni滤波片；管电压40kV，管电流40mA；狭缝尺寸DS＝0.957°，PSD＝2.12，扫描速度4℃/min，1400℃保温150h；(3)热膨胀系数：利用NETZSCHDIL402C型热膨胀分析仪进行检测；测试条件：10-2mbar，加热速率：5K/min；测试范围：室温至1400℃。(4)抗烧结性能测试：热障涂层的抗烧结性能通常是通过密度变化率或体积变化率来衡量，通过测量一定热处理后材料的密度变化从而评价材料的抗烧结性能。利用排水法测试无压烧结炉对烧结体密度进行测量，从而体现材料抗烧结性能检测：将试样用无水乙醇清洗干净，充分烘干，用MA260S型电子天平(精度0.0001g)测量试样的质量m1。将试样置于沸水域中保温15min，测量试样水中质量m2，通过公式计算材料的实际密度；测试条件：1400℃，加热速率：5K/min；测试范围：0～150h。所用的试剂原料：所用的仪器：以下实施例和对比实施例中步骤5中得到的粉末在常温下2MPa压制成25×4×4mm长方体和Φ12.7×1.5mm圆柱体的试样，试样经200MPa冷等静压5min后放入马弗炉中1500℃烧结6h，得到分别用于热膨胀系数和热导率测试的样品，烧结时间较短，所制得的样品性能基本与原材料一致。对比实施例1.将0.1-3μmGd2O3、Y2O3、Yb2O3和ZrO2粉末原料分别装入不同的刚玉坩埚，并且置于箱式电阻炉中经1000℃焙烧2小时，随炉冷却至室温，去除粉末原料中吸附的水分和杂质；2.按照配比精确称量所需Gd2O3、Y2O3、Yb2O3和ZrO2粉末原料的质量，其中各粉末原料摩尔比为2.0:2.0:4.5:91.5，并装入聚氨酯球磨中，加入无水乙本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三元稀土掺杂YSZ热障涂层材料，其特征在于：所述热障涂层材料组成以摩尔百分比计为：xLa2O3‑yGd2O3‑yYb2O3‑4.0～4.5Y2O3‑89～93ZrO2，所有物质的摩尔总含量为100，x为0～1.5，y为1.5～2.5。

【技术特征摘要】
1.一种三元稀土掺杂YSZ热障涂层材料，其特征在于：所述热障涂层材料组成以摩尔百分比计为：xLa2O3-yGd2O3-yYb2O3-4.0～4.5Y2O3-89～93ZrO2，所有物质的摩尔总含量为100，x为0～1.5，y为1.5～2.5。2.一种如权利要求1所述的三元稀土掺杂YSZ热障涂层材料的制备方法，其特征在于：所述方法的具体步骤如下：步骤1.将0.1～3μm的La2O3、Gd2O3、Y2O3、Yb2O3和ZrO2粉末原料去除水分和杂质，得到洁净的粉末原料；步骤2.将洁净的粉末原料按照摩尔比为0:1.5:1.5:4.0:93～1.5:2.5:2.5:4.5:89装入球磨罐中，加入无水乙醇和氧化锆球，氧化锆球质量：粉末原料：无水乙醇质量＝3:1:1～5:1:1，得到混合物；步骤3.将上述所得混合物进行机械球磨2～4h，将球磨后的悬浊液蒸发干燥得到充分干燥的粉末；步骤4.将上述干燥后的粉末研磨3分钟以上，然后经1500℃～1550℃高温烧结10～12h后冷却至室温，得到三元掺杂的氧化锆基粉末；步骤5.将所述氧化锆基粉末经研磨至粒径达到1mm以下，放入球磨罐中，加入氧化锆磨球，球磨5～10min，氧化锆磨球质量：氧化锆基粉末质量＝5:1～7:1；步骤6.球磨后的粉末经筛分得...

【专利技术属性】
技术研发人员：王全胜，陈东，柳彦博，李金宇，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11