一种高热膨胀系数正磷酸盐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高热膨胀系数正磷酸盐热障涂层材料及其制备方法，本发明专利技术首次采用高温固相反应法制备出具有硅铋石结构的ReM3P3O

【技术实现步骤摘要】
一种高热膨胀系数正磷酸盐热障涂层材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种高热膨胀系数正磷酸盐热障涂层材料及其制备方法，属于热障涂层


技术介绍

[0002]热障涂层通常用于航空发动机中的高温合金部件表面，以保护高温合金部件免于高温燃烧，从而使现代发动机能够在更高的气体温度下运行，从而可以提高能量转换效率并减少有害气体排放。最表面的热障涂层，要求具有良好的热学性能，例如高的熔点、低的热导率、高温相稳定性和抗烧结性；同时还需要匹配的热膨胀系数等。
[0003]热障涂层材料种类繁多，目前广泛使用的热障涂层材料主要有氧化钇稳定氧化锆(YSZ)和稀土锆酸盐(RE2Zr2O7)等，但目前的热障涂层材料均存在一定程度的不足：YSZ在1200℃以上会发生高温相变，且热导率相对较高；而稀土锆酸盐热膨胀系数较低，热循环过程中会产生较大热应力，应力集中将会导致涂层的开裂和剥落。因此，开发新型热障涂层材料已经成为研制下一代高性能航空发动机的关键课题。
[0004]中国专利文献CN110386595A公开了一种高熵稀土磷酸粉体及其制备方法。所述的高熵稀土磷酸盐粉体，化学式为(La
0.2
Ce
0.2
Nd
0.2
Sm
0.2
Eu
0.2
)PO4、(La
0.2
Y
0.2
Nd
0.2
Sm
0.2
Eu
0.2
)PO4、(La
0.2
Y
0.2
Nd
0.2
Yb
0.2
Eu
0.2
)PO4或(La
0.2
Ce
0.2
Y
0.2
Yb
0.2
Er
0.2
)PO4，既可以作为Al2O
3f
/Al2O3复合材料热障/环境障涂层材料，也可以作为高温隔热材料应用；本专利技术该提供其制备方法，工艺简单，煅烧温度低；但是该稀土磷酸粉体在室温下热导率偏高，室温下热导率为2.03
‑
2.06W/m
·
K，热膨胀系数太低，仅为8.5
‑
9.0
×
10
‑6/℃(300
‑
1300℃)。
[0005]中国专利文献CN112063959A公开了一种柱
‑
层/树复合结构热障涂层，包括位于内部的柱状结构层和位于外部的层/树复合结构层；外部的层/树复合结构层包括若N层微纳复合层状结构；两层相邻微纳复合层状结构之间设有一层树状结构，N为自然数，且N≥2；微纳复合层状结构由片层单元与若干随机分布在中的纳米团簇堆积单元组成；柱状结构层的厚度占柱
‑
层/树复合结构热障涂层总厚度的40％～60％，层/树复合结构层中每层树状结构的厚度小于等于柱状结构层的15％。该热障涂层结构复杂，不容易实现，并且也未涉及具体的性能。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的不足，本专利技术提供一种高热膨胀系数正磷酸盐热障涂层材料及其制备方法。
[0007]专利技术概述
[0008]本专利技术首次采用高温固相反应法制备出具有硅铋石结构的ReM3P3O
12
系列陶瓷。该ReM3P3O
12
陶瓷属于立方晶系
‑
43m点群，不仅具有较高的熔点和优异的高温相稳定性，同时具有较低的热导率和合适的热膨胀系数，可以有效地缓解由于基体材料与陶瓷层热膨胀系数不匹配产生的应力，以满足长期服役的热端部件的隔热与抗高温氧化腐蚀的需求，在热
障涂层领域具有应用前景。
[0009]专利技术详述
[0010]一种高热膨胀系数正磷酸盐热障涂层材料，其化学通式为：ReM3P3O
12
，属于立方晶系
‑
43m点群，晶体结构为硅铋石结构，其中，Re为稀土元素，M为碱土金属。
[0011]根据本专利技术优选的，Re为Y，La，Nd，Sm，Gd，Dy，Ho，Er或Yb中单独的一种或任意两种或两种以上的组合。
[0012]根据本专利技术优选的，M为Sr，Ca或Ba中单独的一种或任意两种或两种以上组合。
[0013]优选的，所述高热膨胀系数稀土磷酸盐热障涂层材料ReM3P3O
12
选自下列之一种：
[0014]NdBa3P3O
12
、GdBa3P3O
12
、DyBa3P3O
12
、HoBa3P3O
12
、ErBa3P3O
12
。
[0015]本专利技术还提供一种高热膨胀系数正磷酸盐热障涂层材料的制备方法。
[0016]一种高热膨胀系数正磷酸盐热障涂层材料的制备方法，包括如下步骤：
[0017](1)按摩尔比为1：(4
‑
8)：(4
‑
8)的比例取稀土氧化物、含碱土金属化合物与含P化合物混合均匀，置于马弗炉中，升温至1000℃
‑
1100℃，恒温4
‑
6h进行第一次烧结，得预烧原料；
[0018](2)将预烧原料研磨压成型放入马弗炉中，升温至1300℃
‑
1500℃，进行第二次烧结，得纯相物料；
[0019](3)将纯相物料加入无水乙醇采用湿式球磨法球磨20
‑
30小时，然后烘干；研磨，过筛后压成毛坯；
[0020](4)将毛坯放入马弗炉中，升温至1500℃
‑
1700℃，在空气气氛中进行高温反应，反应结束后随炉冷却，得到高热膨胀系数正磷酸盐热障涂层材料。
[0021]根据本专利技术优选的，步骤(1)中，稀土氧化物、含碱土金属化合物与含P化合物的摩尔比为：1:6:6。
[0022]根据本专利技术优选的，步骤(1)中，稀土氧化物为Y2O3、La2O3、Nd2O3、Sm2O3、Gd2O3、Dy2O3、Ho2O3、Er2O3或Yb2O3其中一种或任意两种或两种以上组合。
[0023]根据本专利技术优选的，步骤(1)中，稀土氧化物的纯度大于99.99％。
[0024]根据本专利技术优选的，步骤(1)中，含碱土金属化合物为BaCO3或SrCO3或BaCO3其中一种及其中两种或以上的组合。
[0025]根据本专利技术优选的，步骤(1)中，含P化合物为磷酸二氢铵。
[0026]根据本专利技术优选的，步骤(1)中，稀土氧化物、碳酸盐、磷酸二氢铵的粒径为50
‑
100μm。
[0027]根据本专利技术优选的，步骤(1)中，第一次烧结温度为1000℃，恒温时间为5h。去除原料中的CO2、NH3和H2O。
[0028]根据本专利技术优选的，步骤(1)中，第一次烧结升温速率为8
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高热膨胀系数正磷酸盐热障涂层材料，其化学通式为：ReM3P3O
12
，属于立方晶系
‑
43m点群，晶体结构为硅铋石结构，其中，Re为稀土元素，M为碱土金属。2.根据权利要求1所述的高热膨胀系数正磷酸盐热障涂层材料，其特征在于，Re为Y，La，Nd，Sm，Gd，Dy，Ho，Er或Yb中单独的一种或任意两种或两种以上的组合，M为Sr，Ca或Ba中单独的一种或任意两种或两种以上组合。3.根据权利要求1所述的高热膨胀系数正磷酸盐热障涂层材料，其特征在于，选自下列之一种：NdBa3P3O
12
、GdBa3P3O
12
、DyBa3P3O
12
、HoBa3P3O
12
、ErBa3P3O
12
。4.一种权利要求1所述的高热膨胀系数正磷酸盐热障涂层材料的制备方法，包括如下步骤：(1)按摩尔比为1：(4
‑
8)：(4
‑
8)的比例取稀土氧化物、含碱土金属化合物与含P化合物混合均匀，置于马弗炉中，升温至1000℃
‑
1100℃，恒温4
‑
6h进行第一次烧结，得预烧原料；(2)将预烧原料研磨压成型放入马弗炉中，升温至1300℃
‑
1500℃，进行第二次烧结，得纯相物料；(3)将纯相物料加入无水乙醇采用湿式球磨法球磨20
‑
30小时，然后烘干；研磨，过筛后压成毛坯；(4)将毛坯放入马弗炉中，升温至1500℃
‑
170...

【专利技术属性】
技术研发人员：于法鹏，武广达，樊梦迪，陈廷威，程秀凤，赵显，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：