一种高熵超高温氧化锆基热障涂层材料及其制备方法和应用、氧化锆基热障涂层技术

本发明专利技术提供了一种高熵超高温氧化锆基热障涂层材料及其制备方法和应用、氧化锆基热障涂层，属于高温涂层材料技术领域。本发明专利技术所述氧化锆基热障涂层材料具有无相变、热导率低、热膨胀系数高、断裂韧性高、烧结速率低和抗CMAS腐蚀性能好的优点，将其用于热障涂层，采用双层陶瓷层结构，以YSZ作为底层，氧化锆基热障涂层材料作为表面热障陶瓷层，可以有效缓解高熵热障陶瓷顶层与金属粘接层的热膨胀不匹配，以及与热生长氧化层TGO层的高温化学稳定性兼容性问题，从而实现热障涂层在1300～1600℃范围内的长寿命服役，抗热冲击循环寿命长，抗CMAS渗透腐蚀性能好。因此，可用于航空发动机或燃气轮机高温热端部件。机或燃气轮机高温热端部件。机或燃气轮机高温热端部件。

【技术实现步骤摘要】
一种高熵超高温氧化锆基热障涂层材料及其制备方法和应用、氧化锆基热障涂层


[0001]本专利技术涉及高温涂层材料
，尤其涉及一种高熵超高温氧化锆基热障涂层材料及其制备方法和应用、氧化锆基热障涂层。

技术介绍

[0002]随着航空发动机和燃气轮机的涡轮进口温度不断提高，热障涂层的服役环境更加苛刻。传统YSZ热障涂层长期使用温度≥1250℃会发生快速相变和烧结，导致残余应力累积和过早剥落失效。此外，从大气中吸入的沙尘、火山灰(主要成分为CaO
‑
MgO
‑
Al2O3‑
SiO2，CMAS)形成低熔点玻璃相吸附在热障涂层表面，造成热障涂层的化学降解和剥落失效，是热障涂层高温服役又一亟待解决的难题。为此，新型高温热障涂层不仅需要更好的高温相稳定性、抗烧结性、低热导率、高断裂韧性和热膨胀系数，还需要更好的抗CMAS高温腐蚀性能，才能满足新一代航空发动机和燃气轮机的研制需求。
[0003]目前，全球最先进航空发动机的涡轮进口温度已超过1800℃，重型燃气轮机的涡轮进口温度已接近1700℃。考虑气膜冷却设计，航空发动机和燃气轮机高温热端部件对使用温度在1300～1600℃的新型高温热障涂层材料有迫切需求。国内外广泛研究报道的烧绿石稀土锆酸盐Ln2Zr2O7、钙钛矿结构锆酸盐SrZrO3、萤石结构稀土铈酸盐Ln2Ce2O7、稀土钽酸盐LnTaO4、稀土铌酸盐Ln3NbO7(Ln为稀土元素)的热导率比传统YSZ低，高温相稳定性较好，但是，这些材料普遍存在高温易烧结(致密化孔隙率降低，会使涂层应变容限降低、与金属基底的热应力增大导致涂层剥落失效)、热膨胀系数和断裂韧性偏低或涂层加工适应性问题，涂层热循环寿命短，不能满足应用需求。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种高熵超高温氧化锆基热障涂层材料及其制备方法和应用、氧化锆基热障涂层，所述氧化锆基热障涂层材料具有无相变、热导率低、热膨胀系数高、断裂韧性高、烧结速率低和抗CMAS腐蚀性能好的优点。
[0005]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0006]本专利技术提供了一种氧化锆基热障涂层材料，化学组成为A2(Zr
x
Ce1‑
x
)2O7，0＜x≤1，所述A包括第一稀土元素和第二稀土元素，所述第一稀土元素为Y；所述第二稀土元素包括Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Yb和Lu中的任意4种。
[0007]优选的，所述第一稀土元素与第二稀土元素的摩尔比为1:4；所述第二稀土元素中每种稀土元素的摩尔比为1:1:1:1。
[0008]本专利技术提供了上述技术方案所述氧化锆基热障涂层材料的制备方法，包括以下步骤：
[0009]将氧化钇、氧化铈、所述第二稀土元素对应的四种稀土氧化物与熔融的氧化锆混合，进行熔炼，得到陶瓷熔融液；
[0010]将所述陶瓷熔融液进行碎化，得到氧化锆基热障涂层材料。
[0011]本专利技术提供了上述技术方案所述氧化锆基热障涂层材料的制备方法，包括以下步骤：
[0012]将氧化锆、氧化钇、氧化铈和所述第二稀土元素对应的四种稀土氧化物分别进行第一煅烧，得到对应的煅烧粉体；
[0013]将所述对应的煅烧粉体混合后进行湿法球磨，将所得球磨浆料依次进行干燥、研磨、过筛和第二煅烧，破碎后，得到氧化锆基热障涂层材料。
[0014]本专利技术提供了上述技术方案氧化锆基热障涂层材料的制备方法，包括以下步骤：
[0015]将Y源溶液、Ce源溶液、Zr源溶液、所述第二稀土元素对应的四种稀土源溶液混合，得到混合溶液；
[0016]将所述混合溶液与沉淀剂混合，使所得混合液的pH值≥12，进行沉淀，得到前驱体沉淀物；
[0017]将所述前驱体沉淀物进行煅烧，得到氧化锆基热障涂层材料。
[0018]本专利技术提供了上述技术方案所述氧化锆基热障涂层材料或上述技术方案所述制备方法制备得到的氧化锆基热障涂层材料在航空发动机或燃气轮机高温热端部件中的应用；所述高温热端部件的工作温度为1300～1600℃，所述高温热端部件的工作环境包括CMAS载荷。
[0019]本专利技术提供了一种氧化锆基热障涂层，包括依次层叠设置的镍基高温合金基底、金属粘接层、YSZ层和表面热障陶瓷层；所述表面热障陶瓷层由上述技术方案所述氧化锆基热障涂层材料或上述技术方案所述制备方法制备得到的氧化锆基热障涂层材料制成。
[0020]优选的，所述镍基高温合金为铸造高温合金、定向凝固高温合金或单晶高温合金；所述金属粘接层的成分为NiCoCrAlY、NiCrAlY、NiCoCrAlYHf或NiCoCrAlYSi。
[0021]优选的，所述表面热障陶瓷层采用大气等离子喷涂方法制备，所述表面热障陶瓷层为层状多孔结构，涂层孔隙率为10～30％；或者，所述表面热障陶瓷层为垂直裂纹结构，垂直裂纹密度为2～10cracks/mm，涂层孔隙率为10～20％。
[0022]优选的，当所述氧化锆基热障涂层材料的粒径＜5μm时，将所述氧化锆基热障涂层材料进行预处理后，进行大气等离子喷涂，形成表面热障陶瓷层；所述预处理的方式包括喷雾造粒团聚、团聚后烧结或等离子体球化后。
[0023]本专利技术提供了一种氧化锆基热障涂层材料，化学组成为A2(Zr
x
Ce1‑
x
)2O7，0≤x≤1，所述A包括第一稀土元素和第二稀土元素，所述第一稀土元素为Y；所述第二稀土元素包括Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Yb和Lu中的任意4种。该材料为萤石型结构，具有很好的高温晶体结构稳定性，因而具有室温～1600℃无相变特性；本专利技术在锆基体中引入5～6种不同离子半径的稀土离子，增加了晶体缺陷浓度和声子散射程度，从而降低了热导率，因而具有热导率低特性；本专利技术提供的氧化锆基热障涂层材料属于高熵成分材料，可以综合各单一烧绿石结构的优势，改善烧绿石晶体结构热膨胀系数低的劣势，因而具有热膨胀系数高的特性；晶体大量点缺陷(五种稀土元素A和Ce分别取代Zr
4+
的晶体各位形成高浓度晶格点缺陷)阻碍了烧结过程中的晶格扩散，提高抗烧结性，因而具有烧结速率低特性；稀土元素成分的多元化可以显著提高与熔融CMAS玻璃的反应活性，加速稀土磷灰石的结晶和生长，阻碍CMAS的进一步渗透和化学反应，因而具有抗CMAS腐蚀性能好的特性。
[0024]将本专利技术所述氧化锆基热障涂层材料用于热障涂层，首先，涂层材料具有更高的热膨胀系数、更低的热导率，能保证热障涂层的高温寿命；其次，本专利技术采用双层陶瓷层结构，以YSZ作为底层，氧化锆基热障涂层材料作为表面热障陶瓷层，可以有效缓解高熵热障陶瓷顶层与金属粘接层的热膨胀不匹配，以及与热生长氧化层TGO层的高温化学稳定性兼容性问题，从而实现热障涂层在1300～1600℃范围内的长寿命服役，抗热冲击循环寿命长，抗CMAS渗透腐蚀性能好。因此，可用于航空发动机或燃气轮机高温热端部件。
[0025]进一步的，所述本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氧化锆基热障涂层材料，其特征在于，化学组成为A2(Zr
x
Ce1‑
x
)2O7，0＜x≤1，所述A包括第一稀土元素和第二稀土元素，所述第一稀土元素为Y；所述第二稀土元素包括Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Yb和Lu中的任意4种。2.根据权利要求1所述的氧化锆基热障涂层材料，其特征在于，所述第一稀土元素与第二稀土元素的摩尔比为1:4；所述第二稀土元素中每种稀土元素的摩尔比为1:1:1:1。3.权利要求1或2所述氧化锆基热障涂层材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将氧化钇、氧化铈、所述第二稀土元素对应的四种稀土氧化物与熔融的氧化锆混合，进行熔炼，得到陶瓷熔融液；将所述陶瓷熔融液进行碎化，得到氧化锆基热障涂层材料。4.权利要求1或2所述氧化锆基热障涂层材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将氧化锆、氧化钇、氧化铈和所述第二稀土元素对应的四种稀土氧化物分别进行第一煅烧，得到对应的煅烧粉体；将所述对应的煅烧粉体混合后进行湿法球磨，将所得球磨浆料依次进行干燥、研磨、过筛和第二煅烧，破碎后，得到氧化锆基热障涂层材料。5.权利要求1或2所述氧化锆基热障涂层材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将Y源溶液、Ce源溶液、Zr源溶液、所述第二稀土元素对应的四种稀土源溶液混合，得到混合溶液；将所述混合溶液与沉淀剂混合，使所得混合液的pH值≥12，进行沉淀，得到前驱体沉淀物；将所述前驱体沉淀物进...

【专利技术属性】
技术研发人员：张显程，陈小龙，涂善东，张丁午，王晓博，王卫泽，
申请(专利权)人：暨南大学中国联合重型燃气轮机技术有限公司，
类型：发明
国别省市：