一种钆钐锆氧热障涂层材料及涂层的制备方法技术

本发明专利技术属于航空发动机热障涂层技术领域，涉及一种钆钐锆氧热障涂层材料及涂层的制备方法，所述钆钐锆氧热障涂层材料化学分子式为(Gd1‑

【技术实现步骤摘要】
一种钆钐锆氧热障涂层材料及涂层的制备方法


[0001]本专利技术属于航空发动机热障涂层
，涉及一种钆钐锆氧热障涂层材料及涂层的制备方法。

技术介绍

[0002]目前，随着燃气轮机的推力和工作效率的不断提高，燃气进气温度也越来越高，涡轮叶片和其它热端部件使用的镍基高温合金的工作温度已逐渐接近其使用温度极限。热障涂层(Thermal Barrier Coatings,TBCs)是利用陶瓷材料耐高温、耐冲刷、抗腐蚀和低热导性能，将其以涂层的形式与金属基体相复合的一种表面防护技术，以提高金属部件的工作温度，增强热端部件的抗高温能力，延长热端部件的使用寿命，提高发动机的工作效率。目前，广泛使用的YSZ(6～8wt.％Y2O3部分稳定化的ZrO2)热障涂层材料的热导率高，超高温寿命较低。然而，下一代高性能航空发动机热障涂层材料需要更佳的隔热效果和服役寿命。因此，研究新型热障涂层材料已成为研制下一代高性能航空发动机的关键课题。

技术实现思路

[0003]本专利技术正是针对上述现有技术的不足而设计提供了一种钆钐锆氧热障涂层材料及其制备方法，其目的稀土钐元素复合，解决了单一锆酸钆热障涂层服役寿命不足和YSZ热导率高的问题。
[0004]本专利技术的目的是通过以下技术措施来实现的：
[0005]一种钆钐锆氧热障涂层材料，其特征在于：所述钆钐锆氧热障涂层材料化学分子式为(Gd1‑
x
Sm
x
)2Zr2O7，其中x＝0.10～0.90。
[0006]钆钐锆氧热障涂层材料涂层的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
[0007]步骤一，将原材料Gd2O3、Sm2O3、ZrO2按照材料分子式比例混合，通过高温固相法合成钆钐锆氧靶材，合成温度1600
‑
1800℃；
[0008]步骤二，采用真空电弧镀设备制备NiCoCrAlYHf作为热障涂层的金属底层，电压为600
‑
650V，电流为10
‑
20A；
[0009]步骤三，将钆钐锆氧靶材装入电子束物理气相沉积设备，通过电子束蒸发钆钐锆氧靶材，在NiCoCrAlYHf底层上制备钆钐锆氧热障涂层，电子束的束流强度1.0
‑
1.5A。
[0010]所述步骤一原材料Gd2O3、Sm2O3、ZrO2的纯度≥99.9％。
[0011]所述步骤一原材料混合应为机械球磨，时间≥12小时。
[0012]所述步骤一高温固相法合成时间≥18小时。
[0013]所述步骤二中真空电弧镀设备的真空度<1
×
10
‑2Pa。
[0014]所述步骤二中真空电弧镀设备的沉积时间≥100min。
[0015]所述步骤三中电子束物理气相沉积设备的真空度<5
×
10
‑2Pa。
[0016]所述步骤三中电子束物理气相沉积热障涂层蒸发时间≥30min。
[0017]所述步骤三中电子束物理气相沉积的热障涂层随炉冷却至200℃以下，所述的冷
却为自然冷却。
[0018]本专利技术具有的优点和有益效果，本专利技术作为一类新型热障涂层材料，它们的热膨胀系数与YSZ比较接近，且具有较低的热导率。同时利用电子束物理气相沉积技术制备钆钐锆氧热障涂层，将会使钆钐锆氧热障涂层具有独特的柱状晶结构，同时具有较好的寿命；本专利技术既能保证降低涂层的热导率，又能提高涂层的服役温度，还能改善涂层服役寿命不足，热膨胀系数低的实际问题。
附图说明
[0019]图1为实施例2热导率示意图
[0020]图2为实施例2热膨胀系数示意图
[0021]图3为实施例2热寿命示意图
[0022]图4为本专利技术柱状晶结构示意图
具体实施方式
[0023]以下将结合附图及实施例对本专利技术技术方案作进一步地详述：
[0024]一种钆钐锆氧热障涂层材料，所述钆钐锆氧热障涂层材料化学分子式为(Gd1‑
x
Sm
x
)2Zr2O7，其中x＝0.10～0.90。
[0025]钆钐锆氧热障涂层材料涂层的制备方法，包括以下步骤：
[0026]将原材料Gd2O3、Sm2O3、ZrO2按照材料分子式比例混合，原材料的纯度≥99.9％，混合方式为机械球磨，时间≥12小时；通过高温固相法合成钆钐锆氧靶材，合成温度1600
‑
1800℃，合成时间≥18小时；采用真空电弧镀设备制备NiCoCrAlYHf作为热障涂层的金属底层，真空度<1
×
10
‑2Pa，电压为600
‑
650V，电流为10
‑
20A，沉积时间≥100min；将所制备的靶材装入电子束物理气相沉积设备，真空度<5
×
10
‑2P，电子束的束流强度1.0
‑
1.5A，蒸发时间≥30min，制备热障涂层，随炉自然冷却至200℃以下。
[0027]实施例1：
[0028]⑴
、原材料配比：按钆钐锆氧热障涂层材料分子式(Gd0.3Sm0.7)2Zr2O7称取原材料Gd2O3、Sm2O3、ZrO2。
[0029]⑵
、高温固相合成：将原材料机械球磨14h，通过1600℃高温固相法合成钆钐锆氧靶材，合成时间26h；
[0030](3)、底层制备：采用真空电弧镀设备制备NiCoCrAlYHf作为热障涂层的金属底层，真空度<1
×
10
‑
2Pa，电压为600V，电流为10A，沉积时间200min；
[0031](4)、热障涂层制备：将钆钐锆氧靶材装入电子束物理气相沉积设备。沉积工艺参数：真空度<5
×
10
‑
2Pa，电子束流强度1.25A，蒸发时间50min，冷却至200摄氏度以下后，打开沉积设备得到钆钐锆氧热障涂层。
[0032]所制备钆钐锆氧热障涂层热导率1000℃的热导率为1.25W/(mK)；热膨胀系数为10.82
×
10
‑
6K
‑
1；热寿命为663小时。
[0033]实施例2：
[0034]⑴
、原材料配比：按钆钐锆氧热障涂层材料分子式(Gd0.5Sm05)2Zr2O7称取原材料Gd2O3、Sm2O3、ZrO2。
[0035]⑵
、高温固相合成：将原材料机械球磨16h，通过1700℃高温固相法合成钆钐锆氧靶材，合成时间22h；
[0036](3)、底层制备：采用真空电弧镀设备制备NiCoCrAlYHf作为热障涂层的金属底层，真空度<1
×
10
‑
2Pa，电压为625V，电流为15A，沉积时间150min；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钆钐锆氧热障涂层材料，其特征在于：所述钆钐锆氧热障涂层材料化学分子式为(Gd1‑
x
Sm
x
)2Zr2O7，其中x＝0.10～0.90。2.根据权利要求1所述的钆钐锆氧热障涂层材料涂层的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一，将原材料Gd2O3、Sm2O3、ZrO2按照材料分子式比例混合，通过高温固相法合成钆钐锆氧靶材，合成温度1600
‑
1800℃；步骤二，采用真空电弧镀设备制备NiCoCrAlYHf作为热障涂层的金属底层，电压为600
‑
650V，电流为10
‑
20A；步骤三，将钆钐锆氧靶材装入电子束物理气相沉积设备，通过电子束蒸发钆钐锆氧靶材，在NiCoCrAlYHf底层上制备钆钐锆氧热障涂层，电子束的束流强度1.0
‑
1.5A。3.根据权利要求2所述的钆钐锆氧热障涂层材料涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤一原材料Gd2O3、Sm2O3、ZrO2的纯度≥99.9％。4.根据权利要求2所述的钆钐锆氧热障涂层材...

【专利技术属性】
技术研发人员：申造宇，王立哲，刘冠熙，牟仁德，何利民，
申请(专利权)人：中国航发北京航空材料研究院，
类型：发明
国别省市：