具有低热惯性和低热导率的复合氧化物热障涂层制造技术

提供了用于变温涂层的高度复合氧化物的组合物，组合物表现出低热惯性，这导致降低的热损失和提高的发动机效率。组合物包括至少五种大于5mol％的组成氧化物。氧化物可形成单相固溶体，或者可形成多相。氧化物涂层可与另外的相混合，或者具有高孔隙率，以进一步降低热惯性。氧化物可包含至少五种任何以下金属和/或半金属：Sc、Y、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Re、Fe、Ru、Co、Ni、Cu、Zn、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Yb、Lu、Be、Mg、Ca、Sr、Ba、Al、Ga、Sn、Sb、Tl、Pb、Bi、B、Si、Ge、As、Sb、Te或Po。或Po。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有低热惯性和低热导率的复合氧化物热障涂层
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2021年1月5日提交的美国临时申请号63/134,009的权益和优先权，其公开内容明确以其整体通过引用结合到本文中。


[0003]热障涂层(TBC)为表现出低热导率的陶瓷基涂层。一般希望使热导率最大限度地降低。本公开的实例实施方案一般涉及用于两种应用的表现出低热导率的高熵氧化物(HEO)材料：(1)用于内燃机的变温涂层，和(2)用于航空航天/工业燃气涡轮机(IGT)组件的TBC。

技术介绍

[0004]当使用高熵氧化物作为变温涂层用于内燃机时，有利地具有低热容和低热导率。如果使通过发动机缸体和活塞的热损失最小化，则内燃机的燃料效率更高。这就需要在内部发动机表面使用具有低热导率的涂层。低热导率层在燃烧事件期间有效保留燃烧室内的热量。然而，如果在气缸壁和活塞表面积累过多的热量，进来的燃料空气混合物在进入燃烧室时就会变得被加热，这可导致未燃烧的气体在火焰前自发点火(爆震)或燃料空气混合物自发预点火。当涂层抵抗温度的快速变化，从而使涂层和发动机缸体的温度曲线在发动机运行过程中接近稳态条件时，这就会发生。
[0005]为了防止涂层的温度达到稳态，涂层还必须具有低的比热容。低比热容和低热导率的组合产生低热惯性。低热惯性允许涂层的温度“变动
”–
这意味着当燃烧事件发生时涂层表面是热的，并且在发动机的下一个冲程吸入燃料之前快速冷却，这防止了加热燃料/空气混合物。具有低热惯性的涂层既会限制通过涂层传递到周围环境的热量，也会在表面壁上保留很少的热量。除了提高燃料效率外，涂层还为经涂覆发动机组件提供更高的硬度、增加的空穴和磨损耐性。
[0006]在使用高熵氧化物作为热障涂层用于航空航天/IGT应用时，材料有利地同时具有高韧度和低热导率。TBC韧度典型通过炉循环测试(FCT)来测量，由此使涂层经受热和冷温度的循环。更坚韧的涂层可以在失效之前经受很多次循环。
[0007]已合成高熵氧化物并建议用于TBC应用。然而，高熵氧化物的工程化及其用作“变温”涂层并不为人所知。此外，对于变温性质复合氧化物中热惯性工程的概念也是未知的。此外，针对低热导率与高韧度组合的高熵氧化物的设计也是未知的。
[0008]可以理解，高熵氧化物包括数百万种不同的潜在材料组合物，并且存在某些不是高熵氧化物所固有的性质。这样的性质包括热导率、比热和韧度。

技术实现思路

[0009]在实例实施方案中，本公开提供了一类氧化物涂层组合物，涂层组合物可经由热喷涂技术施加到任何组成的发动机组件上，组合物表现出低热惯性和有效的变温性质。涂
层允许提高内燃机的燃料效率。
[0010]本公开的实例实施方案涉及一种高熵氧化物(HEO)材料作为变温涂层。在实施方案中，HEO材料允许化学、机械和热性质的精确可调性用于特定环境。在实施方案中，HEO材料包含高浓度(>5mol％)的至少五种氧化物成分。氧化物系统中的化学无序产生显著的声子散射，这引起固有的低热导率。组成的控制允许组合物具有低比热容，并因此具有低热惯性，热惯性定义为热容、热导率和密度的乘积的平方根。
[0011]使原子大小和质量变化最大化的组合物提供了最多的声子散射和最低的热导率。具有最低平均原子质量的组合物具有最低的比热容和密度。低热导率和低热容的适当组合为所公开的氧化物提供了低热惯性和良好的变温性质。
具体实施方式
[0012]在一个实施方案中，包含超过5mol％至少五种不同二元氧化物的组合物在内燃机中用作变温涂层。在一个实施方案中，复合氧化物由通式M
x
O
y
表示，其中M表示至少5种不同的形成氧化物的金属阳离子的组，x表示金属阳离子(M)或原子的数目，而y表示氧阴离子(O)或原子的数目。
[0013]在本公开的实施方案中，至少五种不同的形成氧化物的金属阳离子(M)可以包括：
[0014]至少一种碱土金属，包括Be、Mg、Ca、Sr和Ba；
[0015]至少一种、优选至少两种以下过渡金属：Sc、Y、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Re、Fe、Ru、Co、Ni、Cu和Zn；
[0016]一种或多种后过渡金属，包括Al、Ga、Sn、Sb、Tl、Pb和Bi；
[0017]一种或多种镧系元素，包括La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Yb和Lu；和
[0018]一种或多种半金属，包括B、Si、Ge、As、Sb、Te和Po。
[0019]在实施方案中，以下金属可用于低热惯性复合氧化物汽车TBC：(1)碱土金属，如Mg和Ca；(2)过渡金属，如Y、Ti、Zr、Hf、Cr、Mo、Mn、Fe、Co、Ni；(3)后过渡金属，如Al和Sn；(4)镧系元素，如La、Ce、Gd、Dy和Yb；和(5)半金属，如Si。
[0020]在实施方案中，组合物可形成单相固溶体或多相系统。
[0021]通过用大小和质量显著变化的单个原子增加样品组合物中质量和应变无序，而使上述组合物降低涂层的热导率。在软件的帮助下，对>100,000种感兴趣组合物中每一种的精确质量和应变变化及平均原子质量进行计算。然后可以图形方式对计算的值进行排序，以确定具有最小热惯性的空间中的组合物。
[0022]从公式(1)计算质量散射值，由此m
i
为第i个元素的原子质量，并且m_为所有n个元素的平均原子质量：
[0023][0024]已经发现，在氧化物为单相时，来自以上公式的大于35的质量散射得到低于1W m
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‑1的热导率值。可以理解，5种或更多种氧化物的集合并不固有地形成单相，并且所评估的8个氧化物实验中只有3个表现出单相结构。
[0025]在一些实施方案中，高熵氧化物组合物的质量散射值为35或更高。在优选的实施方案中，高熵氧化物的质量散射值为40或更高。在更优选的实施方案中，高熵氧化物的质量散射值为42.5或更高。
[0026]已发现，总散射值也是氧化物组合物热导率的良好预测指标。较高的总散射值等同于较低的热导率值。氧化物组合物的总散射计算为上述质量散射值与应变散射之和。应变散射δ从公式(2)计算，其中c
i
为组合物，r
i
为氧化物系统中第i个阳离子的离子半径，n为系统中阳离子的总数：
[0027][0028]在一些实施方案中，高熵氧化物组合物的总散射值为30或更高。在优选的实施方案中，高熵氧化物的总散射值为35或更高。在更优选的实施方案中，高熵氧化物的总散射值为40或更高。
[0029]为了实现极佳的变温性质，涂层材料应具有小于3.0W m
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‑1、优选小于1.5W m
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‑1、更优选小于0.8W m
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‑1的热导率。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种高熵氧化物(HEO)材料，所述HEO材料包含低于1.5W m
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‑1的热导率。2.权利要求1的HEO材料，所述HEO材料还包含高于35的总散射值。3.权利要求1的HEO材料，所述HEO材料还包含高于30的总散射值。4.权利要求1的HEO材料，所述HEO材料还包含小于3.0J m
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‑1s
‑
1/2
的比热容。5.权利要求1的HEO材料，所述HEO材料还包含小于900J kg
‑1K
‑1的比热容。6.权利要求1的HEO材料，其中大于90％的HEO材料为四方结构。7.权利要求1的HEO材料，其中所述HEO材料具有0.05或更小的氧化物空位浓度。8.权利要求1的HEO材料，还包括该材料用于形成热障涂层的用途。9.权利要求1的HEO材料，还包括该材料用于形成燃烧室所用涂层的用途。10.权利要求1的HEO材料，其中所述HEO材料由通式M
x
O
y
表示，其中M表示至少5种不同的形成氧化物的金属阳离子的组，x表示金属阳离子(M)或原子的数目，而y表示氧阴离子(O)或原子的数目。11.权利要求1的HEO材料，其中所述HEO材料由通式M
x
O
y
表示，其中M表示周期表第II族的至少一个成员，x表示金属阳离子(M)或原子的数目，而y表示氧阴离子(O)或原子的数目。12.权利要求1的HEO材料，其中所述HEO材料由通式M
x
O
y
表示，其中M表示至少一种镧系元素，x表示金属阳离子(M)或原子的数目，而y表示氧阴离子(O)或原子的数目。13.权利要求1的HEO材料，其中所述HEO材料由通式M
x
O
y
表示，其中M表...

【专利技术属性】
技术研发人员：T，
申请(专利权)人：欧瑞康美科美国公司，
类型：发明
国别省市：