一种低热膨胀的热/环境障涂层用钛掺杂铪酸镧陶瓷及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种低热膨胀的热/环境障涂层用钛掺杂铪酸镧陶瓷及其制备方法。制备方法包括先将三氧化二镧粉末、二氧化铪粉末与二氧化钛粉末溶于无水乙醇并球磨，得到混合浆料，将混合浆料干燥，得到混合前驱体粉末，将混合前驱体粉末高温空气气氛中进行反应，得到La2(Hf1‑

【技术实现步骤摘要】
一种低热膨胀的热/环境障涂层用钛掺杂铪酸镧陶瓷及其制备方法


[0001]本专利技术总体地涉及陶瓷基复合材料表面热/环境障涂层材料
，尤其涉及一种低热膨胀的热/环境障涂层用钛掺杂铪酸镧陶瓷。

技术介绍

[0002]航空发动机是现代航空工业最为核心的部分之一，无论是在军用还是民用领域，对于高性能航空发动机的需求都在不断提升，发动机向着大推力大推重比发展已经是必然趋势，而这就要求发动机的涡轮进口温度不断提升。传统的高温合金材料制造的叶片等热端部件耐温极限只有1100℃，已经不能满足新一代航空发动机的需求。因此，研究者从陶瓷基复合材料中寻找新型耐高温材料，其中最为突出的就是SiC
f
/SiC复合材料，它具有高温稳定性优异、高温抗氧化性强、低密度、高温力学性能优异、耐化学腐蚀性优异等特点，是最有潜力取代镍基高温合金制备航空发动机热端构件的材料之一。
[0003]SiC
f
/SiC复合材料虽然抗氧化性优异，但在高温水汽存在的情况下却容易受到氧化腐蚀，一般称为水氧腐蚀，而涡轮发动机叶片等在工作的高温燃气环境中含有大量水汽，在水氧腐蚀下会反应生成挥发性的Si(OH)
x
，造成材料损耗，严重影响使用性能和服役寿命。为了解决这个问题，人们开发了一种用来抵御这种工作环境中的腐蚀物质的涂层，即环境障涂层（EBC）。通过喷涂或沉积等方法，在SiC
f
/SiC复合材料制造的构件表面制备环境障涂层，将基体与外界环境隔离，形成屏障，从而保护SiC
f/>/SiC复合材料。因此，环境障涂层材料一般选取耐水氧腐蚀性较好的材料。另一方面，环境障涂层的开发和应用很容易让人将其与热障涂层（TBC）联系，二者都是为了解决航空发动机服役温度提升的需求，而后者的发展历史相对较长。热障涂层最初也是为了解决高温合金耐温能力不足的问题，即用低热导率的材料在合金基体表面制备一层具有隔热作用的涂层，从而降低合金基体实际承受温度，提升整个部件的耐温上限。因此，热障涂层的主要作用就是隔热，选用的材料需要具有较低热导率。有了热障涂层的应用经验，为了更进一步提升SiC
f
/SiC复合材料构件的服役温度，热/环境障涂层的概念被提出，即在环境障涂层的基础上再制备一层热障涂层，形成热/环境障复合涂层，在提供环境腐蚀保护的同时提供热防护。美国NASA已经对这种复合涂层进行了开发并取得一定成果，可以预见热/环境障涂层将成为未来陶瓷基高性能航空发动机材料应用的关键技术。
[0004]在热/环境障涂层体系中的热障层起到的也是隔热的作用，但又与传统的热障涂层有所区别，这主要是因为基体材料的不同。涂层材料与基体材料的热膨胀系数一般都存在差异，这种差异导致在热循环过程中产生热失配应力，严重的会使涂层开裂、防护失效。因此在实际应用中，必须考虑涂层材料与基体材料之间的热膨胀匹配性，尽可能缩小差异，这是涂层能够长时间稳定服役并发挥保护作用的首要要求。传统热障涂层保护的是合金基体，而合金材料热膨胀系数较高（12~15
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‑1），热障涂层的陶瓷材料的材料热膨胀系数通常远低于合金，因此在选取用于合金基体的热障涂层材料时，人们希望其热膨胀系数尽
可能高；对于作用在SiC
f
/SiC复合材料上的涂层而言，由于SiC
f
/SiC复合材料具有较低的热膨胀系数（4~5
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‑1），这就要求无论是环境障层还是热障层材料都也应具有较低的热膨胀系数，这是热/环境障涂层材料与传统热障涂层的本质区别。因此，尽管可以借鉴传统热障涂层的研究方法和技术，但传统的热障涂层材料却不能直接套用在SiC
f
/SiC复合材料上，必须开发、设计具有较低热膨胀系数的热障层材料。
[0005]传统热障层材料最典型的是氧化钇稳定的氧化锆（YSZ），但其服役温度低、热膨胀系数高（10~12
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‑1）。近年来一些新型热障涂层材料得到了广泛关注，其中最有潜力的是具有烧绿石或萤石结构的A2B2O7型化合物，如稀土锆酸盐、稀土铪酸盐、稀土铈酸盐等，具有热导率低，热膨胀系数低于YSZ，高温稳定性优异等特点，是应用于热/环境障涂层的潜在材料。该类化合物的另一特点是A位与B位的阳离子半径比会使材料的结构与性能规律性变化，当r(A
3+
)/r(B
4+
) = 1.46~1.78时，材料为烧绿石结构，而在该范围内，一般r(A
3+
)/r(B
4+
)值越大，材料热膨胀系数越小，使得利用掺杂改性进一步降低热膨胀系数成为可行策略。

技术实现思路

[0006]针对应用于热/环境障涂层上热障涂层材料的性能要求，本专利技术提供了一种热/环境障涂层组分，其为Ti元素掺杂改性的铪酸镧粉末，分子式为La2(Hf1‑
x
Ti
x
)2O7，其中x的取值范围为0<x≤0.2，其制备工艺简单、热膨胀系数较低，旨在利用半径较小的Ti
4+
取代La2Hf2O7的部分Hf
4+
，形成具有单一烧绿石相的固溶体，并使得热膨胀系数降低，满足热/环境障涂层对于低热膨胀材料的需求。
[0007]本专利技术技术方案如下：本专利技术首先提供了一种低热膨胀的钛掺杂铪酸镧热/环境障涂层用陶瓷材料，其分子式组成表示为：La2(Hf1‑
x
Ti
x
)2O7，它是使用Ti元素对La2Hf2O7进行Hf
4+
离子位取代所得，其中x的取值范围：0<x≤0.2；所述La2Hf2O7为具有立方烧绿石结构的铪酸镧。
[0008]本专利技术同时提供了上述低热膨胀的钛掺杂铪酸镧热/环境障涂层用陶瓷材料的制备方法，包括以下步骤：S1、根据预定掺杂比例，将三氧化二镧（La2O3）粉末、二氧化铪（HfO2）粉末和二氧化钛（TiO2）粉末按换算后的质量比称取并混合；S2、将步骤S1中混合粉体溶于无水乙醇中混合进行球磨，得到混合均匀的浆料；S3、将步骤S2中浆料干燥、过筛，得到预烧结粉体；S4、将步骤S3中粉体在无压条件下进行高温反应，即以1℃/min ~ 15℃/min的升温速率升温至1450 ~ 1650℃，保温6~16h（此范围内保温温度与时长可为反比关系），以1℃/min ~ 15℃/min的速率降温至500~800℃，再随炉冷却至室温，得到La2(Hf1‑
x
Ti
x
)2O7粗粉；S5、将步骤S4中粗粉球磨并过筛分离，得到粒径小于10 μm细陶瓷粉末。
[0009]进一步的，上述步骤S2中，混合粉体与无水乙醇比例为：1g：（0.8~1.2g），所述球磨时间为6~12h，所述球磨采用的球磨罐材质为聚氨酯、氧化铝或氧化锆，所述球磨采用的球磨珠材质为聚氨酯、氧化铝或氧化锆，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低热膨胀的热/环境障涂层用钛掺杂铪酸镧陶瓷，其特征在于，其分子式组成表示为：La2(Hf1‑
x
Ti
x
)2O7，它是使用Ti元素对La2Hf2O7进行Hf
4+
离子位取代所得，其中x的取值范围：0<x≤0.2；所述La2Hf2O7为具有立方烧绿石结构的铪酸镧。2.根据权利要求1所述的低热膨胀的热/环境障涂层用钛掺杂铪酸镧陶瓷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、根据预定掺杂比例，将三氧化二镧粉末、二氧化铪粉末和二氧化钛粉末按换算后的质量比称取并混合；S2、将步骤S1中混合粉体溶于无水乙醇中混合进行球磨，得到混合均匀的浆料；S3、将步骤S2中浆料干燥、过筛，得到预烧结粉体；S4、将步骤S3中粉体在无压条件下进行高温反应，所述高温反应是指以1℃/min ~ 15℃/min的升温速率升温至1450 ~ 1650℃，保温6~16h，再以1℃/min ~ 15℃/min的速率降温至500~800℃，最后随炉冷却至室温，得到La2(Hf1‑
x
Ti
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【专利技术属性】
技术研发人员：王衍飞，杜金平，刘荣军，万帆，李端，李俊生，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：