一种多元共掺杂钇铝石榴石热障涂层材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于热障涂层材料领域，具体涉及一种多元共掺杂钇铝石榴石热障涂层材料及其制备方法，本发明专利技术多元共掺杂钇铝石榴石热障涂层材料为单相石榴石结构，由稀土元素掺杂YAG的Y位，金属元素掺杂YAG的Al位得到，其化学式为(Y1‑

【技术实现步骤摘要】
一种多元共掺杂钇铝石榴石热障涂层材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于热障涂层材料领域，具体而言，涉及一种多元共掺杂钇铝石榴石陶瓷材料的制备以及该陶瓷材料作为热障涂层材料的应用。

技术介绍

[0002]热障涂层(Thermal Barrier Coatings,TBCs)具有良好的隔热效果和高温抗氧化性，可以有效地保护航空航天、舰船、核工业、汽车等领域的热端部件，是可以显著提高发动机工作温度的先进技术之一。含6
‑
8wt％氧化钇的部分稳定氧化锆(YSZ)是一种高熔点、高硬度、低热导率、高热膨胀系数的传统热障涂层材料。然而，当YSZ材料在高于1200℃的温度下服役时，会发生从四方相到单斜相的转变，并伴随着3％～5％的体积膨胀，导致涂层的大面积开裂和剥落。此外，YSZ材料的高氧离子透过率将加速热生长氧化物的生成，这大大限制了YSZ热障涂层的使用寿命。因此，迫切需要开发具有高温相稳定性和低氧离子透过率的热障涂层材料。
[0003]钇铝石榴石Y3Al5O
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(简称YAG)因其优异的高温相稳定性(1970℃前不会发生相变)和低氧离子透过率(相同温度下氧扩散系数为YSZ的十分之一)，成为极具应用前景的候选热障涂层材料。然而YAG较高的热导率(3.2W/m
·
K,1000℃)和较低的热膨胀系数(9.1
×
10
‑6K
‑1,1000℃)会导致热应力的积累，当涂层受到热膨胀或收缩时，与基底材料之间的热应力会增加，可能导致涂层的开裂或剥离；另外，高热导率致使热量更容易传导到基底材料中，降低了隔热性能；此外，YAG较低的热膨胀系数，导致涂层与基底材料之间的热膨胀不匹配，当温度变化时，涂层和基底材料的热膨胀系数差异会导致应力的积累，最终导致涂层的开裂或剥离；综上，YAG较高的热导率和交底的热膨胀系数等性能在一定程度上限制了YAG在热障涂层领域的应用。因此，对YAG进行改性，通过调整其化学组成和晶体结构，改善其热物理性能，是目前YAG作为热障涂层应用的重点研究方向。
[0004]YAG属于立方晶系，化学通式为L3B2(AO4)3(L，A，B分别代表十二面体、四面体及八面体格位)，在化学式Y3Al5O
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中，Y
3+
处于与氧离子八配位的十二面体格位，Al
3+
处于与O2‑
六配位和四配位的八面体和四面体格位。因此，YAG晶胞被认为是由十二面体、八面体和四面体组成的连接网络，可以很容易地被离子半径范围大的阳离子掺杂置换。例如，Er
3+
取代YAG十二面体L格位的Y
3+
，可得到具有低热导率的Y2ErAl5O
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陶瓷(1.8W/m
·
K,1000℃)，但是其热膨胀系数并无改善，1157℃时仍为8.63
×
10
‑6K
‑1。近年来的大多数研究表明，关于YAG掺杂改性的文献都是基于单元素和单位点掺杂，发现热导率大幅降低，但热膨胀系数几乎没有变化，有待进一步提升。
[0005]因此，有必要开发一种在保持较低的热导率的同时具有高热膨胀系数的综合热物理性能优良的新型热障涂层材料。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中存在问题，本专利技术基于热障涂层应用的材料设计，目的之一在于
提供一种多元共掺杂钇铝石榴石热障涂层材料，利用稀土元素掺杂YAG的Y位，金属元素掺杂YAG的Al位，制得多元共掺杂钇铝石榴石，具有高温相结构稳定、氧离子透过率低、热导率低且热膨胀系数高的优势；提供多元共掺杂钇铝石榴石热障涂层材料的制备方法作为本专利技术的另一个目的。
[0007]基于上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0008]第一方面，本专利技术提供一种多元共掺杂钇铝石榴石热障涂层材料，该多元共掺杂钇铝石榴石热障涂层材料为单相石榴石结构，由稀土元素掺杂钇铝石榴石的Y位，金属元素掺杂钇铝石榴石的Al位制得；所述多元共掺杂钇铝石榴石热障涂层材料的化学式为(Y1‑
x
Ln
x
)3(Al1‑
y
B
y
)5O
12
，其中，Ln为Er、Gd、Sc、Ce、Yb、Nd、Eu、Tb、Lu、Tm、Dy、Ho、La、Sm中的至少一种；B为Fe、Mn、Ti、Ca、Mg、Be、Co、Ni、Cu、Zn中的至少一种；掺杂变量满足0<x<1，0<y<1。
[0009]本专利技术采用稀土元素掺杂钇铝石榴石的Y位，金属元素掺杂钇铝石榴石的Al位形成多元共掺杂钇铝石榴石热障涂层材料，具有高温相结构稳定、氧离子透过率低，并在保持低热导率的同时，提高了热膨胀系数，为一种综合热物理性能优异且具有广泛应用前景的热障涂层候选材料。
[0010]优选地，多元共掺杂钇铝石榴石热障涂层材料的化学式(Y1‑
x
Ln
x
)3(Al1‑
y
B
y
)5O
12
满足如下条件之一：
[0011](a)当Ln为Er，B为Fe时，掺杂变量满足x＝0.6，0.4≤y≤0.8；
[0012](b)当Ln为Er，B为Mn时，掺杂变量满足x＝0.6，0.04≤y≤0.1；
[0013](c)当Ln为Er，B为Ti时，掺杂变量满足x＝0.6，0.04≤y≤0.1。
[0014]优选地，多元共掺杂钇铝石榴石热障涂层材料的化学式(Y1‑
x
Ln
x
)3(Al1‑
y
B
y
)5O
12
满足如下条件之一：
[0015](a)当Ln为Er，B为Fe时，掺杂变量满足x＝0.6，0.6≤y≤0.8；
[0016](b)当Ln为Er，B为Mn时，掺杂变量满足x＝0.6，0.06≤y≤0.1；
[0017](c)当Ln为Er，B为Ti时，掺杂变量满足x＝0.6，0.08≤y≤0.1。
[0018]经实验发现，当满足上述条件(a)时，多元共掺杂钇铝石榴石热障涂层材料于1100℃的热导率低至1.31W/m
·
k，于1200℃的热膨胀系数高达11
×
10
‑6K
‑1；当满足上述条件(b)时，多元共掺杂钇铝石榴石热障涂层材料于1100℃的热导率低至1.38W/m
·
k，于1200℃的热膨胀系数高达9.05
×
10
‑6K
‑1；当满足上述条件(c)时，多元共掺杂钇铝石榴石热障涂层材料于1100℃的热导率低至1.41W/m
·
k，于1200℃的热膨胀系数高达9.08
×
10
‑6K
‑1。
[0019]第二方面，本专利技术提供一种上述多元共掺杂钇本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多元共掺杂钇铝石榴石热障涂层材料，其特征在于，所述多元共掺杂钇铝石榴石热障涂层材料为单相石榴石结构，由稀土元素掺杂钇铝石榴石的Y位，金属元素掺杂钇铝石榴石的Al位制得；所述多元共掺杂钇铝石榴石热障涂层材料的化学式为(Y1‑
x
Ln
x
)3(Al1‑
y
B
y
)5O
12
，其中，Ln为Er、Gd、Sc、Ce、Yb、Nd、Eu、Tb、Lu、Tm、Dy、Ho、La、Sm中的至少一种；B为Fe、Mn、Ti、Ca、Mg、Be、Co、Ni、Cu、Zn中的至少一种；掺杂变量满足0<x<1，0<y<1。2.根据权利要求1所述的多元共掺杂钇铝石榴石热障涂层材料，其特征在于，所述多元共掺杂钇铝石榴石热障涂层材料的化学式(Y1‑
x
Ln
x
)3(Al1‑
y
B
y
)5O
12
满足如下条件之一：(a)当Ln为Er，B为Fe时，掺杂变量满足x＝0.6，0.4≤y≤0.8；(b)当Ln为Er，B为Mn时，掺杂变量满足x＝0.6，0.04≤y≤0.1；(c)当Ln为Er，B为Ti时，掺杂变量满足x＝0.6，0.04≤y≤0.1。3.一种权利要求1所述多元共掺杂钇铝石榴石热障涂层材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：分别将Y2O3粉体、Al(OH)3粉体、稀土元素化合物粉体或金属元素化合物粉体进行第一次球磨、砂磨至其粒径达纳米级，经干燥分别得到纳米级粉体Y2O3、Al(OH)3、稀土元素化合物或金属元素化合物；S2：将纳米级粉体Y2O3、Al(OH)3、稀土元素化合物和金属元素化合物进行第二次球磨、干燥后，经研磨过筛，再进行粉体成相烧结，得到稀土元素和金属元素共掺杂钇铝石榴石的粉体材料；S3：将步骤S2制得的稀土元素和金属元素共掺杂钇铝石榴石的粉体材料经第三次球磨、干燥后，进行研磨过筛，将过筛所得粉体进行压制成型为块体，将块体进行烧结制得多元共掺杂钇铝石榴石热障涂层材料。4.根据权利要求3所述多元共掺杂钇铝石榴石热障涂层材料的制备方法，其特征在于，所述多元共掺杂钇铝石榴石热障涂层材料的化学式为(Y1‑
x
Ln
x
)3(Al1‑
y
B
y
)5O
12
，其中，Ln为Er、Gd、Sc、Ce、Yb、Nd、Eu、Tb、Lu、Tm、Dy、Ho、La、Sm中的至少一种；B为Fe、Mn、Ti、Ca、Mg、Be、Co、Ni、Cu、Zn中的至少一种；掺杂变量满足0<x<1，0<y<1。5.根据权利要求3所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：王炫力，王俊，刘爽，宋希文，谢敏，王志刚，
申请(专利权)人：内蒙古科技大学，
类型：发明
国别省市：