一种四方相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四方相热障涂层材料及其制备方法，属于热防护涂层技术领域。所述热障涂层材料的原料由TiO2、Ta2O5、Ln2O3和ZrO2按照物质的量之比为(4～10):(8～10):(8～10):(70～80)组成；所述Ln2O3由Y2O3、Gd2O3和Yb2O3组成。所述制备方法为：将干燥的Y2O3、Gd2O3、Yb2O3、ZrO2、Ta2O5和TiO2粉末原料通过球磨混合均匀，得到混合粉末，将其进行烧结，烧结结束后研磨，得到烧结粉末；将所述烧结粉末球磨破碎，干燥即可。所述热障涂层材料具有良好的相稳定性、断裂韧性和抗烧结性能。断裂韧性和抗烧结性能。断裂韧性和抗烧结性能。

【技术实现步骤摘要】
一种四方相热障涂层材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种四方相热障涂层材料及其制备方法，属于热防护涂层


技术介绍

[0002]热障涂层是提高涡轮发动机和燃气轮机热端部件使用温度最有效的手段，是先进航空发动机和燃气轮机不可或缺的关键技术之一。目前应用最为广泛的热障涂层材料为8YSZ(7wt％～8wt％Y2O3部分稳定ZrO2)，其优势是具有高热膨胀系数、低热导率和低弹性模量，其四方相结构还具有独特的铁弹性增韧机制，断裂韧性较高。但随着发动机向高推重比发展，进口温度不断提高，如推重比12
‑
15的一级发动机要求涂层工作温度达到1400℃以上，而8YSZ涂层在超过1200℃的使用温度时，会由于相变和烧结导致涂层失效。因此，8YSZ涂层无法在涡轮前更高的温度下长时间服役。为满足热障涂层的应用需求，必须开发耐更高温度的热障涂层材料。
[0003]锆酸盐、钽酸盐、六铝镁酸镧等热障涂层材料以及多元稀土氧化物共稳定立方氧化锆等热障涂层材料，具有良好的高温相稳定性和优异的热物理性能，在更高温度条件下，如1400℃～1500℃，应用具有较大的优势。然而，这些材料的断裂韧性较差，导致形成的热障涂层在使用过程中抵抗裂纹扩展的能力较差，在使用过程中容易出现涂层开裂、剥落的现象，难以满足热障涂层对长寿命的要求。
[0004]本领域进一步利用等摩尔的氧化钇和氧化钽共掺杂氧化锆获得了在1500℃高温下稳定的四方相结构，具有较高的断裂韧性。但是其导热系数较高，这意味着涂层的隔热能力差；且抗高温烧结能力较差，相稳定性差。
[0005]为了降低热障涂层的导热系数，一些研究进一步尝试使用多种稀土氧化物部分替代氧化钇。然而，这些替代虽然在一定程度上降低了等摩尔氧化钇和氧化钽共掺杂氧化锆的导热系数，但是却存在断裂韧性降低、相稳定性下降等问题。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种四方相热障涂层材料及其制备方法，所述热障涂层材料能够在1400℃的高温下长时间保持其四方相结构，且具有良好的相稳定性以及良好的断裂韧性，在1400℃的高温长时间保温后依然具有良好的抗烧结性能。
[0007]为实现本专利技术的目的，提供以下技术方案。
[0008]一种四方相热障涂层材料，所述热障涂层材料的原料由TiO2、Ta2O5、Ln2O3和ZrO2按照物质的量之比为(4～10):(8～10):(8～10):(70～80)组成。
[0009]所述热障涂层材料的原料中，Ln2O3由Y2O3、Gd2O3和Yb2O3三种稀土氧化物组成；Ln2O3中，Gd2O3和Yb2O3的物质的量之比为1:1，且以Ln2O3中各组分的物质的量之和为100％计，Y2O3的物质的量分数为40％～60％。
[0010]优选，TiO2、Ta2O5、Ln2O3和ZrO2的物质的量之比为(4～6):10:10:(74～76)；以Ln2O3中各组分的物质的量之和为100％计，Y2O3的物质的量分数为40％。
[0011]一种本专利技术所述的四方相热障涂层材料的制备方法，所述方法步骤如下：
[0012](1)将干燥的Y2O3、Gd2O3、Yb2O3、ZrO2、Ta2O5和TiO2粉末原料混合，然后装入至球磨罐中，得到混合料，加入球磨介质和磨球；其中，磨球、混合料和球磨介质的质量比为(2～3):1:2；然后采用机械球磨的方式混合均匀，球磨结束后，对球磨后的悬浊液I进行干燥，得到干燥的混合粉末。
[0013](2)将所述混合粉末经1500℃～1550℃高温烧结10h～15h，冷却至室温，得到烧结产物，研磨，得到烧结粉末。
[0014](3)将所述烧结粉末放入球磨罐中，加入球磨介质和磨球；其中，磨球、烧结粉末和球磨介质的质量比为(2～3):1:2；然后采用机械球磨的方式进行破碎，破碎结束后，对球磨后的悬浊液II进行干燥，得到一种四方相热障涂层材料。
[0015]优选，步骤(1)中，Y2O3、Gd2O3、Yb2O3、ZrO2、Ta2O5和TiO2粉末原料的粒径均为0.1μm～3μm；Y2O3粉末原料中Y2O3的质量分数为99.9％以上，Gd2O3粉末原料中Gd2O3的质量分数为99.9％以上，Yb2O3粉末原料中Yb2O3的质量分数为99.9％以上，ZrO2粉末原料中ZrO2的质量分数为99.9％以上，Ta2O5粉末原料中Ta2O5的质量分数为99.9％以上，TiO2粉末原料中TiO2的质量分数为99.9％以上。
[0016]优选，对Y2O3、Gd2O3、Yb2O3、ZrO2、Ta2O5和TiO2粉末原料进行干燥的方法为：将Y2O3、Gd2O3、Yb2O3、ZrO2和Ta2O5粉末原料分别在800℃～1000℃煅烧1.5h～2.5h，将TiO2粉末原料在600℃～800℃煅烧0.5h～1.5h；煅烧结束后，冷却至室温，即可去除各原料中吸附的水分。
[0017]优选，所述球磨介质为无水乙醇或水；磨球为氧化锆球。
[0018]优选，步骤(1)中所述球磨的转速为300rpm，球磨时间为2h～6h。
[0019]优选，步骤(3)中所述球磨的转速为300rpm，球磨时间为12h～24h。
[0020]优选，步骤(1)和(3)中采用的球磨罐为尼龙球磨罐或聚氨酯球磨罐。
[0021]优选，步骤(1)和(3)中球磨后的干燥方法为：采用旋转蒸发仪对球磨后的悬浊液I或悬浊液II进行旋蒸干燥，以去除悬浊液I或悬浊液II中的无水乙醇，将旋蒸干燥后得到的粉末置于干燥箱中烘干。
[0022]有益效果
[0023]本专利技术提供了一种四方相热障涂层材料，所述热障涂层材料将由三种稀土氧化物组成的Ln2O3与Ta2O5等摩尔掺杂，使其以LnTaO4的形式在氧化锆中形成高度畸变的四方相结构，降低了原子扩散的能力，从而提高所述热障涂层材料的抗烧结能力。并且，本专利技术制得的热障涂层材料中Ti
4+
离子能部分置换Zr
4+
离子，由于Ti
4+
离子的离子半径小于Zr
4+
离子，从而能够提高LnTaO4在ZrO2中的固溶度，阻止了LnTaO4析出，因此阻止了热障涂层材料中m相的析出，并提高了ZrO2四方相的相稳定性。同时，添加Ti元素还能够提升热障涂层材料的韧性。因此，所述热障涂层材料从室温至1400℃均为单一的四方相结构，在1400℃长时间保温无相变，具有良好的相稳定性；且所述热障涂层材料的相结构均为t相，物相单一，能够充分发挥所述热障涂层材料的优良性能。并且所述热障涂层材料还具有良好的抗高温烧结性能以及断裂韧性，其断裂韧性与8YSZ的断裂韧性相当或略高，可作为理想的耐高温热障涂层的陶瓷层材料。
附图说明
[0024]图1为实施例1制得的热障涂层材料在1400℃保温100h前后的XRD图。
[0025]图2为实施例2制得的热障涂层材料在1400℃保温100h前后的XRD图。
[0026]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种四方相热障涂层材料，其特征在于：所述热障涂层材料的原料由TiO2、Ta2O5、Ln2O3和ZrO2按照物质的量之比为(4～10):(8～10):(8～10):(70～80)组成；所述热障涂层材料的原料中，Ln2O3由Y2O3、Gd2O3和Yb2O3组成；Ln2O3中，Gd2O3和Yb2O3的物质的量之比为1:1，且以Ln2O3中各组分的物质的量之和为100％计，Y2O3的物质的量分数为40％～60％。2.根据权利要求1所述的一种四方相热障涂层材料，其特征在于：TiO2、Ta2O5、Ln2O3和ZrO2的物质的量之比为(4～6):10:10:(74～76)；以Ln2O3中各组分的物质的量之和为100％计，Y2O3的物质的量分数为40％。3.一种如权利要求1或2所述的四方相热障涂层材料的制备方法，其特征在于：所述方法步骤如下：(1)将干燥的Y2O3、Gd2O3、Yb2O3、ZrO2、Ta2O5和TiO2粉末原料混合，然后装入至球磨罐中，得到混合料，加入球磨介质和磨球；其中，磨球、混合料和球磨介质的质量比为(2～3):1:2；然后采用机械球磨的方式混合均匀，球磨结束后，对球磨后的悬浊液I进行干燥，得到干燥的混合粉末；(2)将所述混合粉末经1500℃～1550℃高温烧结10h～15h，冷却至室温，得到烧结产物，研磨，得到烧结粉末；(3)将所述烧结粉末放入球磨罐中，加入球磨介质和磨球；其中，磨球、烧结粉末和球磨介质的质量比为(2～3):1:2；然后采用机械球磨的方式进行破碎，破碎结束后，对球磨后的悬浊液II进行干燥，得到一种四方相热障涂层材料。4.根据权利要求3所述的一种四方相热障涂层材料的制备方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：王全胜，雷新更，赵翰琦，李立，宁先进，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：