一种低热导抗CMAS腐蚀高熵锆酸盐陶瓷材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种低热导抗CMAS腐蚀高熵锆酸盐陶瓷材料及其制备方法与应用。本发明专利技术首先以Gd2O3，Er2O3，Tm2O3，Yb2O3，Y2O3以及ZrO2粉末原料按照配比球磨混合，随后通过高温固相反应法合成高熵锆酸盐粉体，并通过干压成型以及高温烧结获得高熵锆酸盐致密陶瓷材料。本发明专利技术提供低热导抗CMAS腐蚀高熵锆酸盐陶瓷材料为缺陷萤石相，其热导率极低，断裂韧性极高以及抗CMAS腐蚀性能极强等特性，可用于航空发动机热端构件表面的热障涂层材料。端构件表面的热障涂层材料。端构件表面的热障涂层材料。

【技术实现步骤摘要】
一种低热导抗CMAS腐蚀高熵锆酸盐陶瓷材料及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于航空发动机热障涂层材料
，具体涉及一种低热导抗CMAS腐蚀高熵锆酸盐陶瓷材料及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]在高温高压以及苛刻涡轮环境长时间服役的航空发动机高温合金构件，其表面热障涂层陶瓷材料必须满足以下几点：材料具有较低的热导率，以提供优良的隔热性能；良好的断裂韧性，提高涂层的应力应变容限，避免涂层应力集中带来的失效；较高的硬度，抵抗燃气中的颗粒冲蚀撞击；优异的抗CMAS腐蚀性能，提高热障涂层服役寿命等。
[0003]单一组元的稀土锆酸盐材料凭借着较YSZ更低的热导率特性成为热障涂层候选体系之一，但是其力学/热学以及抗腐蚀综合性能具有局限性，无法为热障涂层的长寿命服役提供稳定保障。随着高熵陶瓷体系的不断发展与完善，大量研究证实将多种性能优异的锆酸盐陶瓷通过高熵化设计后，赋予陶瓷材料的力学/热学以及抗腐蚀综合性能通常比单一组元锆酸盐更为优异，使其在航空航天高温结构材料领域具有广阔的发展潜力。
[0004]因此，针对上述存在的技术缺陷问题，开发一种能具有优异力学/热学及抗腐蚀综合性能的热障涂层材料势在必行。

技术实现思路

[0005]本专利技术的第一目的在于提供一种低热导抗CMAS腐蚀高熵锆酸盐陶瓷材料，本专利技术的另一目的在于提供一种低热导抗CMAS腐蚀高熵锆酸盐陶瓷材料的制备方法，以解决热障涂层材料热导率相对较高、抗CMAS性能不足以及断裂韧性较低等问题，本专利技术的第三个目的在于提供一种低热导抗CMAS腐蚀高熵锆酸盐陶瓷材料在航空发动机热障涂层上的应用。
[0006]为解决现有技术问题，本专利技术采取的技术问题为：一种低热导抗CMAS腐蚀高熵锆酸盐陶瓷材料，由Gd2O3粉末，Er2O3粉末，Tm2O3粉末，Y2O3粉末，Yb2O3粉末，以及ZrO2粉末制备而成，所述低热导抗CMAS腐蚀高熵锆酸盐陶瓷的化学式为(Gd
0.2
Er
0.2
Tm
0.2
Yb
0.2
Y
0.2
)2Zr2O7，且相对密度达到96.35%，孔隙率对热物理和力学性能的影响可忽略不计。
[0007]作为改进的是，所述Gd2O3粉末，Er2O3粉末，Tm2O3粉末，Yb2O3粉末，Y2O3粉末，ZrO2粉末的粉末纯度均≥99.9%。
[0008]作为改进的是，n(Gd):n(Er):n(Tm):n(Yb):n(Y):n(ZR)=1:1:1:1:1:5。
[0009]上述一种低热导抗CMAS腐蚀高熵锆酸盐陶瓷材料的制备方法，其特征在于，由Gd2O3粉末，Er2O3粉末，Tm2O3粉末，Y2O3粉末，Yb2O3粉末，以及ZrO2粉末，通过高温固相反应法合成高熵锆酸盐粉体，再依次通过干压成型、高温烧结即得低热导抗CMAS腐蚀高熵锆酸盐陶瓷，具体包括如下步骤：步骤1，根据所需制备高熵陶瓷中元素的摩尔比计算氧化物的用量，称取对应量的
Gd2O3粉末，Er2O3粉末，Tm2O3粉末，Yb2O3粉末，Y2O3粉末以及ZrO2粉末，并将这六种粉末依次倒入球磨罐中，再加入无水乙醇，使得混合粉末充分溶解；步骤2，将球磨罐放入行星球磨机中球磨，得到均匀的混合溶液；步骤3，将混合溶液经过干燥、高温固相反应，得高熵陶瓷粉体；步骤4，将高熵陶瓷粉末经过研磨、过筛、PVA聚粒、干压成型、排胶、烧结处理后，得化学式为(Gd
0.2
Er
0.2
Tm
0.2
Yb
0.2
Y
0.2
)2Zr2O7低热导抗CMAS腐蚀高熵锆酸盐陶瓷材料。
[0010]作为改进的是，步骤2中球磨转速为450rpm,时间为12 h。
[0011]作为改进的是，步骤3中干燥温度为80 ℃，时间为12 h,高温固相反应温度为1550 ℃，时间为4 h。
[0012]作为改进的是，步骤4中过筛的目数为150目，干压成型的一次加压为200 MPa,时间为60 s,二次加压为160 MPa，时间为30 s，排胶的温度550 ℃，时间为2 h,烧结温度为1550℃，时间为7 h。
[0013]上述一种低热导抗CMAS腐蚀高熵锆酸盐陶瓷材料用于制备航空发动机热端构件表面的热障涂层。
[0014]有益效果：本专利技术作为一类新型热障涂层材料，采用高熵化稀土锆酸盐设计，选用高熵稀土锆酸盐(Gd
0.2
Er
0.2
Tm
0.2
Yb
0.2
Y
0.2
)2Zr2O7为热障涂层材料。通过干压成型、高温烧结获得的高熵锆酸盐(Gd
0.2
Er
0.2
Tm
0.2
Yb
0.2
Y
0.2
)2Zr2O7材料热导率和热膨胀系数比单一稀土锆酸盐Gd2Zr2O7陶瓷材料更低，适合于更高温度的工况下服役，并且有利于提高热障涂层的热循环服役寿命，断裂韧性与硬度较Gd2Zr2O7更高，将会提高热障涂层的应变容限以及抗颗粒冲蚀能力。同时，高熵锆酸盐(Gd
0.2
Er
0.2
Tm
0.2
Yb
0.2
Y
0.2
)2Zr2O7材料在1300℃长期CMAS腐蚀后，形成有效阻碍CMAS渗入的磷灰石相，具有优异的抗CMAS腐蚀性能，将会提升热障涂层在苛刻涡轮服役环境中的抗腐蚀能力。
附图说明
[0015]图1为本专利技术实施例1制备的(Gd
0.2
Er
0.2
Tm
0.2
Yb
0.2
Y
0.2
)2Zr2O7陶瓷材料的XRD示意图；图2为实施例1的表面微观形貌示意图；图3为实施例1和对比例1制备的Gd2Zr2O7材料的热导率对比示意图；图4为实施例1和对比例1的热膨胀系数对比示意图；图5为实施例1和对比例1的断裂韧性、硬度对比示意图；图6为实施例1和对比例1在1300℃经过CMAS腐蚀后的表面对比示意图：(A)实施例1腐蚀5小时；(B) 实施例1腐蚀10小时；(C) 实施例1腐蚀15小时；(D)对比例1腐蚀5小时；(E) 对比例1腐蚀10小时；(F) 对比例1腐蚀15小时；图7为实施例1和对比例1经过CMAS腐蚀后的截面对比示意图：(A)实施例1腐蚀5小时；(B) 实施例1腐蚀10小时；(C) 实施例1腐蚀15小时；(D)对比例1腐蚀5小时；(E) 对比例1腐蚀10小时；(F) 对比例1腐蚀15小时。
具体实施方式
[0016]下面结合实施例对本专利技术作进一步的说明，但不以任何方式对本专利技术加以限制，基于本专利技术教导所作的任何变换或替换，均属于本专利技术的保护范围。
[0017]如图1
‑
7所示，本专利技术提供了一种低热导抗CMAS腐蚀高熵锆酸本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低热导抗CMAS腐蚀高熵锆酸盐陶瓷材料，其特征在于由Gd2O3粉末，Er2O3粉末，Tm2O3粉末，Y2O3粉末，Yb2O3粉末，以及ZrO2粉末制备而成，所述低热导抗CMAS腐蚀高熵锆酸盐陶瓷的化学式为(Gd
0.2
Er
0.2
Tm
0.2
Yb
0.2
Y
0.2
)2Zr2O7，且相对密度达到96.35%，孔隙率对热物理和力学性能的影响可忽略不计。2.根据权利要求1所述的一种低热导抗CMAS腐蚀高熵锆酸盐陶瓷材料，其特征在于，所述Gd2O3粉末，Er2O3粉末，Tm2O3粉末，Yb2O3粉末，Y2O3粉末，ZrO2粉末的粉末纯度均≥99.9%。3.根据权利要求2所述的一种低热导抗CMAS腐蚀高熵锆酸盐陶瓷，其特征在于， n(Gd):n(Er):n(Tm):n(Yb):n(Y):n(Zr)=1:1:1:1:1:5。4.基于权利要求1所述的一种低热导抗CMAS腐蚀高熵锆酸盐陶瓷材料的制备方法，其特征在于，由Gd2O3粉末，Er2O3粉末，Tm2O3粉末，Y2O3粉末，Yb2O3粉末，以及ZrO2粉末，通过高温固相反应法合成高熵锆酸盐粉体，再依次通过干压成型、高温烧结即得低热导抗CMAS腐蚀高熵锆酸盐陶瓷，具体包括如下步骤：步骤1，根据所需制备高熵陶瓷中元素的摩尔比计算氧化物的用量，称取对应量的Gd2O3粉末，Er2O3粉末，Tm2O3粉末...

【专利技术属性】
技术研发人员：缪强，赵慧，刘睿翔，梁文萍，闫荣学，张猛，董美静，吴宇婷，臧恺，李静丽，姚巍，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：