一种氧化物颗粒优化钽酸镍陶瓷材料及其应用制造技术

本发明专利技术公开了一种氧化物颗粒优化钽酸镍陶瓷材料及其应用，该陶瓷材料由钽酸镍粉体、金属氧化物粉末/颗粒组成，其化学通式如下：（NiTa2O6）（R

【技术实现步骤摘要】
一种氧化物颗粒优化钽酸镍陶瓷材料及其应用


[0001]本专利技术属于陶瓷材料
，具体涉及一种氧化物颗粒优化钽酸镍陶瓷材料及其应用。

技术介绍

[0002]航空发动机、燃气轮机和汽车发动机中所用的燃油的燃烧温度与其利用效率成正比，燃烧温度的提高有利于提高燃油利用效率的同时可以提高上述设备的推重比从而提供更强劲的动力，从而进一步提高飞机和汽车的速度以及火力发电站中发电机组的发电效率。然而限制燃油燃烧效率的主要原因之一是设备中的高温零部件熔点较低，当前一直无法突破1100℃这一极限，而航空发动机的进气口温度已经超过1500℃，因此需要在高温零部件表面制备一层低热导率的隔热防护涂层材料，在燃气轮机和航空发动机中这一涂层材料简称为热障涂层材料，其性能指标要求包括热导率低、热膨胀系数与基体匹配、硬度高和断裂韧性优异等特点。当前使用的热障涂层材料为氧化钇稳定氧化锆（YSZ），其热导率较高（2.5
‑
.3.5 W/m/K），并且热膨胀系数（10
×
10
‑
6 K
‑1）远低于合金基体材料（12
‑
14
×
10
‑
6 K
‑1）导致涂层与基体材料的热膨胀系数失配，最重要的是由于在1200℃时YSZ发生相变导致涂层脱落，因此其工作温度已经无法满足当前的工业发展需求。而在航空发动机和燃气轮机逐渐使用陶瓷基复合材料代替合金材料制造高温零部件，主要有碳化硅纤维增强碳化硅和碳纤维增强碳陶瓷复合材料，这类材料具有工作温度高（大于2000℃）和力学性能优异的特点，但是其容易被高温水蒸气腐蚀和氧气腐蚀，因此需要在其表面制备致密的防护涂层阻隔氧气和水蒸气的进入，这就要求涂层材料具有极低的气孔率、和基体匹配的热膨胀系数以及抗水蒸气腐蚀、抗氧化的特点。当前在陶瓷基复合材料表面使用的防护涂层材料主要为稀土硅酸盐（RE2SiO5），其工作温度低于1350℃，同时容易被高温水蒸气腐蚀，因此亟需新的涂层材料将其取代。

技术实现思路

[0003]本专利技术的第一目的是提供一种氧化物颗粒优化钽酸镍陶瓷材料，本专利技术的第二目的是提供所述氧化物颗粒优化钽酸镍陶瓷材料在制备钽酸镍陶瓷涂层中的应用。
[0004]本专利技术的第一目的是这样实现的，一种氧化物颗粒优化钽酸镍陶瓷材料，所述陶瓷材料由钽酸镍粉体、金属氧化物粉末/颗粒组成，具有化学通式（NiTa2O6）（R
a
O
b
）
y
，其中：R
a
O
b
表示NiO、Ta2O5、Al2O3、MgO、CaO、SiO2、ZrO2、HfO2、Nb2O5或稀土氧化物中的一种或几种，所述稀土氧化物为Sc, Y, La, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tm, Dy, Ho, Er, Yb或Lu的氧化物；y表示R
a
O
b
占钽酸镍陶瓷材料的质量百分比，并且0.1≤y≤0.5，NiTa2O6占钽酸镍陶瓷材料的质量百分比为1
‑
y；所述钽酸镍陶瓷材料为致密度大于98%，在25
‑
900℃温度范围内的热导率为1
‑
6W/m/K的钽酸镍陶瓷块体或粒径为0.1
‑ꢀ
50
µ
m的钽酸镍陶瓷粉体，
所述钽酸镍陶瓷块体由下述工艺步骤制备而成：a、将钽酸镍粉体与金属氧化物粉末/颗粒置于研磨机中进行研磨，干燥得到混合物粉末；b、将所述混合物粉末采用高温无压固相烧结、放电等离子烧结或热压得到目标钽酸镍陶瓷块体；所述钽酸镍陶瓷粉体由下述工艺步骤制备而成：A、将钽酸镍粉体与金属氧化物粉末/颗粒置于研磨机中进行研磨，研磨介质为无水乙醇，转速设置为2000
‑
3000r/min，研磨时间为12
‑
24h，获得纳米级粉末；B、将所述纳米级粉末通过喷雾造粒和干燥处理制成球形粉末，即得。
[0005]步骤a中研磨介质为无水乙醇，研磨转速为2000
‑
3000r/min，研磨时间为12
‑
24h。
[0006]本专利技术的第二目的是这样实现的，钽酸镍陶瓷材料在制备钽酸镍陶瓷涂层的应用，所述钽酸镍陶瓷涂层气孔率在0
‑
30%之间，25
‑
900℃的温度范围内涂层热导率为0.5
‑
1.0 W/m/K，所述钽酸镍陶瓷涂层由下述工艺步骤制备而成：1）将所述钽酸镍陶瓷块体/粉体通过研磨并过500目筛得到颗粒大小均匀的粉末材料，经过喷雾造粒和干燥得到粒径大小为20
‑
80微米的球形粉末；2）将所述球形粉末通过电子束物理气相沉积或大气等离子喷涂或音速火焰喷涂或等离子喷涂
‑
物理气象沉积在高温金属或者陶瓷基复合材料部件表面上得到厚度为50
‑
500
µ
m的钽酸镍陶瓷涂层。
[0007]本专利技术的原理为：钽酸镍（NiTa2O6）陶瓷材料具有独特的晶体结构，镍原子和钽原子之间存在原子质量差和离子半径差大的特点，有利于产生剧烈的晶格振动从而散射声子降低热导率，获得极低的热导率，同时具有高硬度、高模量、高熔点、在1600℃温度以下无相变、低热导率和抗氧化等特点，本专利技术通过在钽酸镍陶瓷中加入第二相的球形氧化物粉末颗粒能够有效优化其硬度、断裂韧性、杨氏模量、热导率和热膨胀系数等热物理性能，从而延长材料作为涂层使用时的使用寿命，并降低材料的热导率最终提高其隔热防护性能，使将可作为高温隔热防护耐磨涂层在不同服役环境下使用。
[0008]由于钽酸镍和所选择氧化物颗粒均具有优异的高温稳定性，因此本专利技术中加入了不同种类和质量的氧化物后仍然保证了材料能够在极高的温度下工作（大于1200℃）。
[0009]抗高温水蒸气腐蚀性能与材料的水接触角有关，接触角越大材料的抗水蒸气腐蚀性能越好。本专利技术中创造性地选择稀土氧化物颗粒对钽酸镍进行优化，稀土氧化物的水接触角随着稀土元素原子序数的增大而增大，在钽酸镍中加入不同类型、不同质量分数的的稀土氧化物颗粒可以同时降低材料的热导率、保持合适的热膨胀系数并通过增大水接触角增强材料的抗水蒸气腐蚀性能。
[0010]本专利技术的有益效果为：1）本专利技术提供的陶瓷材料致密度大于98%，热导率低（25
‑
900℃的温度范围内热导率为1.1
‑
3.2W/m/K），可用于制备在不同服役环境下使用的高温隔热防护耐磨涂层。
[0011]2）本专利技术可以根据不同工作环境，选择不同性质的氧化物颗粒，从而获得具有不同热导率、热膨胀系数、硬度、模量和断裂韧性等热物理性能的高温隔热耐磨防护涂层材料。本专利技术提供的钽酸镍陶瓷涂层材料孔率在0
‑
30%之间，25
‑
900℃的温度范围内涂层热导
率为0.5
‑
1.0 W/m/K，使用温度范围为室温至本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氧化物颗粒优化钽酸镍陶瓷材料，其特征在于所述陶瓷材料由钽酸镍粉体、金属氧化物粉末/颗粒组成，具有化学通式（NiTa2O6）（R
a
O
b
）
y
，其中：R
a
O
b
表示NiO、Ta2O5、Al2O3、MgO、CaO、SiO2、ZrO2、HfO2、Nb2O5或稀土氧化物中的一种或几种，所述稀土氧化物为Sc, Y, La, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tm, Dy, Ho, Er, Yb或Lu的氧化物；y表示R
a
O
b
占钽酸镍陶瓷材料的质量百分比，并且0.1≤y≤0.5，NiTa2O6占钽酸镍陶瓷材料的质量百分比为1
‑
y；所述钽酸镍陶瓷材料为致密度大于98%，在25
‑
900℃温度范围内的热导率为1
‑
6W/m/K的钽酸镍陶瓷块体或粒径为0.1
‑ꢀ
50
µ
m的钽酸镍陶瓷粉体，所述钽酸镍陶瓷块体由下述工艺步骤制备而成：a、将钽酸镍粉体与金属氧化物粉末/颗粒置于研磨机中进行研磨，干燥得到混合物粉末；b、将所述混合物粉末采用高温无压固相烧结、放电等离子烧结或热压得到目标钽酸镍陶瓷块体；所述钽酸镍陶瓷粉体由下述工艺步骤制备而成：A、将钽酸镍粉体与金属氧化物粉末/颗粒置于研磨机中进行研磨，研磨介质为无水乙醇，转速设置为2000
‑
3000r/min，研磨时间为12
‑
24h，获得纳米级粉末；B、将所述纳米级粉末通过喷雾造粒和干燥处理制成球形粉末，即得。2.根据权利要求1所述氧化物颗粒优化钽酸镍陶瓷材料，其特征在于步骤a中研磨介质为无水乙醇，研磨转速为2000
‑
3000r/min，研磨时间为12
‑
24h。3.根据权利要求1所述氧化物颗粒优化钽酸镍陶瓷材料，其特征在于步骤b中高温无压固相烧结过程如下：将所述混合物粉末置于压片模具中在150
‑
300MPa下保压3
‑
7分钟后，于高温炉中进行烧结，首先以4
‑
6℃/min的速率升温至400
‑...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯晶，陈琳，王建坤，张陆洋，李柏辉，荣菊，王刚，赵世贤，粱鹏鹏，李红霞，
申请(专利权)人：中钢集团洛阳耐火材料研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：