一种氧化铝增韧钽酸铝陶瓷及其制备方法技术

本发明专利技术涉及热障涂层技术领域，具体公开了一种氧化铝增韧钽酸铝陶瓷，该陶瓷由Al2O3粉末和Ta2O5粉末烧结而成，该陶瓷由Al2O3相与AlTaO4相组成，Al2O3相弥散分布在AlTaO4相中，该陶瓷的化学式为xAl2O3‑AlTaO4，其中x>0。该陶瓷的制备方法包括称取Al:Ta的摩尔比为(1+2x):1(x>0)的Al2O3粉末和Ta2O5粉末，加入溶剂混合，采用球磨机进行球磨，得到粉末A；将粉末A进行烧结，得到氧化铝增韧钽酸铝陶瓷，其中烧结的温度为1300～1500℃，烧结时间为5～10min。采用本专利中的技术方案得到的氧化铝增韧钽酸铝陶瓷断裂韧性高，且作为热障涂层使用时，不会产生热障涂层失效的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种氧化铝增韧钽酸铝陶瓷及其制备方法
本专利技术涉及热障涂层
，特别涉及氧化铝增韧钽酸铝陶瓷及其制备方法。
技术介绍
热障涂层是一种先进的陶瓷材料系统，主要应用于航空发动机工业，起到隔热、降低涂层与合金基体间的热失配、有效抵抗粒子冲击从而保护航空发动机高温区域零部件的作用，要求其具有良好的热力学性能，例如低的热导率、高的热膨胀系数以及高温稳定性等。目前广泛使用的热障涂层主要有氧化钇稳定氧化锆(YSZ)和稀土锆酸盐(RE2Zr2O7)等，但均存在一定程度的不足：YSZ使用温度较低(≦1200℃)，且热导率相对较高；而稀土锆酸盐则存在热膨胀系数较低的问题，这就促使研究人员去寻找能够替代上述陶瓷材料的热障涂层，2007年哈佛大学Clarke教授课题组同加州大学圣巴巴拉分校的Levi教授等提出了钽酸钇(YTaO4)铁弹体有望作为新型热障涂层材料，2016年Wang等人通过固相反应法制得了稀土钽酸盐块体材料，得出了热导率远小于YSZ材料的结论，为钽酸盐在热障涂层上的应用提供了理论的基础。众所周知，对于结构用的工程陶瓷，脆性一直是其应用的主要障碍。很多的研究工作都是围绕着克服脆性，或者说增韧的主题展开的，研究发现在陶瓷材料的陶瓷基相中引入增韧相，对晶粒的细化起到促进的作用，从而使得陶瓷材料的韧性有所提高，但由于增韧相通常成分、性质等与陶瓷基相有较大差别，因此就会发生以下问题：1、热障涂层(陶瓷层)在热循环过程中出现体积变化，从而导致陶瓷基相与增韧相出现体积失配的现象，而体积失配易导致涂层产生内应力，促使涂层开裂，不利于热障涂层的长期使用；2、增韧相在高温下与基体材料或陶瓷基相发生反应，使得热障涂层失效，这些现象均会严重降低热障涂层的使用寿命。因此要寻找一种既具有良好的韧性又不会出现上述问题的陶瓷材料是目前热障涂层研究的重点。
技术实现思路
本专利技术提供了一种氧化铝增韧钽酸铝陶瓷及其制备方法，以解决现有技术中在陶瓷基材料中引入增韧相以增加韧性的同时，会发生热障涂层失效的问题。为了达到上述目的，本专利技术的基础方案为：一种氧化铝增韧钽酸铝陶瓷，该陶瓷由Al2O3粉末和Ta2O5粉末烧结而成，该陶瓷的晶体结构由Al2O3相与AlTaO4相组成，Al2O3相弥散分布在AlTaO4相中，该陶瓷的化学式为xAl2O3-AlTaO4，其中x>0。本基础方案的技术原理和效果在于：1、本基础方案中一种氧化铝增韧钽酸铝陶瓷，采用的Al2O3粉末和Ta2O5粉末烧结而成，制得了氧化铝增韧的钽酸铝陶瓷，经检测其具有较高的断裂韧性，满足热障涂层在复杂工作环境下的冲击性能要求，同时由于该方案中的增韧相为Al2O3相，Al2O3相并非在烧结过程中新生成的相，可以说明本方案中增韧相Al2O3相与AlTaO4相在高温下不会发生反应，同时Al2O3以相的形式弥散分布在AlTaO4相中，使得增韧相与陶瓷基相之间不会出现体积失配的现象，从而解决了现有技术中陶瓷基材料中引入增韧相以增加韧性的同时，会发生热障涂层失效的问题。2、由于在陶瓷基相中引入与基相成分和结构相差较大的增韧相，会使得陶瓷层在热循环过程中因陶瓷基相与增韧相的体积变化不同，从而导致陶瓷基相与增韧相出现体积失配的问题，因此专利技术人想寻找一种能够制得与陶瓷基相成分和结构相似的增韧相，本申请的专利技术人原本方案是在制备钽酸铝(AlTaO4)陶瓷时额外多加入Al2O3，以形成成分为与陶瓷基相(AlTaO4)成分和结构接近的Al3TaO7的增韧相，但实际上专利技术人在研发过程中发现多余的Al2O3并没有与AlTaO4形成Al3TaO7，而是以相的形式弥散分布在钽酸铝(AlTaO4)陶瓷基相中。3、本基础方案中氧化铝增韧钽酸铝陶瓷具有高的断裂韧性原因在于，由于Al2O3粉末和Ta2O5粉末以摩尔比大于1:1的成分加入，多余的Al2O3由于不会与AlTaO4产生反应，因此Al2O3相在AlTaO4基相形成过程中，限制基相的晶粒生长，使得AlTaO4基相中的晶粒被细化，使得同一体积内，AlTaO4基相中的晶界量提高，进而提高陶瓷的断裂韧性。4、由于陶瓷材料在作为热障涂层作用在基体材料上时，通常需要通过粘接层与基体材料结合，而粘接层中通常含有Al2O3，由于本技术方案的陶瓷中含有Al2O3相，使得其与粘接层的粘接性能更好，同时体现了在高温下本技术方案中陶瓷不会与粘接层发生化学反应，这样就避免因热障涂层与粘接层反应导致失效的问题。进一步，一种氧化铝增韧钽酸铝陶瓷的制备方法，包括以下步骤：步骤(1)：称取Al:Ta的摩尔比为(1+2x):1(x>0)的Al2O3粉末和Ta2O5粉末，加入溶剂混合，采用球磨机进行球磨，得到粉末A；步骤(2)：将步骤(1)得到的粉末A进行烧结，得到氧化铝增韧钽酸铝陶瓷，其中烧结的温度为1300～1500℃，烧结时间为5～10min。有益效果：采用步骤(1)和步骤(2)的方法制备得到的氧化铝增韧钽酸铝陶瓷，该陶瓷中氧化铝以相的形式弥散分布在钽酸铝相中，使得该陶瓷的断裂韧性增强，作为热障涂层抗冲击力提高。进一步，所述步骤(1)中球磨时间为5～10h，球磨机的转速为200～300r/min。有益效果：采用本方案中的球磨转速和时间，能够将Al2O3粉末和Ta2O5粉末充分的混合均匀。进一步，所述步骤(2)中粉末A在烧结前进行干燥处理，干燥温度为50～90℃，干燥时间为12～16h。有益效果：由于步骤(1)在球磨时向粉末中加入了溶剂，因此对步骤(2)中粉末A进行干燥处理，采用本方案中的干燥温度和时间，能够使得粉末中的溶剂充分挥发出去。进一步，所述步骤(2)中的粉末A在干燥之后进行过筛处理，过筛的筛目为100～300目。有益效果：过筛的目的在于将粉末A中在球磨过程中粘接在一起的大粒径粉末相进行筛除，得到粉末粒径分布均匀的粉末A，使得烧结的陶瓷内部晶粒的大小分布均布。进一步，所述步骤(2)中的粉末A在过筛之后进行保压处理，具体为：将过筛后的粉末A放置在模具内，保压压力为4～6MPa，保压时间为2～6min。有益效果：保压处理的目的在于，将粉末A中的气体挤压出去，使得制备的氧化铝增韧钽酸铝的晶界清晰，晶粒间的结合良好，需要注意的是，如果在烧结时，粉体A中含有大量的气体，由于晶体中，晶粒间的界面能是最高的，气体在晶界聚集的作用主要集中在晶界处，使得这些地方出现较大的空隙，使制得的陶瓷材料致密度降低。进一步，所述步骤(2)中的粉末A在保压处理后，在其表面进行碳化硼涂覆处理。有益效果：由于在放电等离子烧结时，如果不涂覆氮化硼，粉末A的表面将直接与石墨模具和碳纸接触，在高温反应过程中碳将渗透进入粉末中，并参与反应形成第二相，从而使得制得的陶瓷块体不纯；涂覆氮化硼后碳将无法直接与试样接触从而阻碍第二相的生成，而且氮化硼本身是高温陶瓷的一种，在高温下非常稳定不会分解也不会参与反应。进一步，所述步骤(2)中烧结在压力作用下进行，烧结压力为200～400MPa。有益效果：在该压力下进行烧结，能够得到致密度高的陶瓷块体。进一步，所述步骤(1)中的溶剂为乙醇或蒸馏水。有益效果：乙醇与蒸馏水对Al2O3粉末和Ta2O5粉末的分散性较好，使得Al2O3粉末和Ta2O5粉末能够更加充分的混合。进一步，所述步骤(1)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氧化铝增韧钽酸铝陶瓷，其特征在于：该陶瓷由Al2O3粉末和Ta2O5粉末烧结而成，该陶瓷由Al2O3相与AlTaO4相组成，Al2O3晶粒弥散分布在AlTaO4相中，该陶瓷的化学式为xAl2O3‑AlTaO4，其中x>0。

【技术特征摘要】
1.一种氧化铝增韧钽酸铝陶瓷，其特征在于：该陶瓷由Al2O3粉末和Ta2O5粉末烧结而成，该陶瓷由Al2O3相与AlTaO4相组成，Al2O3晶粒弥散分布在AlTaO4相中，该陶瓷的化学式为xAl2O3-AlTaO4，其中x>0。2.根据权利要求1所述的一种氧化铝增韧钽酸铝陶瓷的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤(1)：称取Al:Ta的摩尔比为(1+2x):1(x>0)的Al2O3粉末和Ta2O5粉末，加入溶剂混合，采用球磨机进行球磨，得到粉末A；步骤(2)：将步骤(1)得到的粉末A进行烧结，得到氧化铝增韧钽酸铝陶瓷，其中烧结的温度为1300～1500℃，烧结时间为5～10min。3.根据权利要求2所述的一种氧化铝增韧钽酸铝陶瓷的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中球磨时间为5～10h，球磨机的转速为200～300r/min。4.根据权利要求2所述的一种氧化铝增韧钽酸铝陶瓷的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中粉末A在烧结前进行干燥处理，干燥温度为50～90℃，干燥时间为12～1...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯晶，种晓宇，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南,53