本发明专利技术公开了一类可用于热障涂层的烧绿石结构稀土锆酸盐材料体系。所述材料的化学组成为（０．５－ｘ）Ｒ′２Ｏ３－０．５Ｓｍ２Ｏ３－ｘＲ″２Ｏ３－２ＺｒＯ２，０＜ｘ≤０．２５，Ｒ′为离子半径大于Ｓｍ前稀土元素或其组合，Ｒ″为离子半径小于Ｓｍ的稀土元素或其组合。本发明专利技术提供的材料具有低热导率、高热稳定性和抗高温烧结性能，其热膨胀性能比单一的烧绿石结构材料稳定，有利于降低热循环过程中由于热膨胀系数不匹配产生的热应力，可提高涂层的热循环寿命。由于本发明专利技术的烧绿石结构稀土锆酸盐材料高温相稳定性好，可以用来设计和制备使用温度低于１５５０℃的新型高温热障涂层材料。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种高温热障涂层材料及其制备方法与应用，特别是涉及一种烧绿石 结构稀土锆酸盐材料及其制备方法与应用。
技术介绍
热障涂层是指沉积在金属零部件表面、具有良好隔热效果的陶瓷涂层，该涂层具 有降低基体的工作温度，保护金属基体免受高温燃气冲蚀，提高其高温工作寿命。热障涂层 主要应用于热端部件的热防护。热障涂层材料的需要具有低热导率、高熔点、高化学稳定 性，与金属基体相匹配的热膨胀系数以及良好的抗烧结性能。目前广泛应用的热障涂层材料主要是氧化钇稳定氧化锆(Zr02_(3. 8士0. 5mol% ) Y2O3缩写为YSZ)。该材料具有较低的热导率O. 1 2. ZWnT1K-1)，热膨胀系数为10 IlXKr6IT1与金属基材相匹配。但是YSZ在高于1200°C下长时间使用会发生相变，伴随 有体积变化，降低涂层使用寿命，同时，存在使用过程中YSZ存在严重的烧结现象，使热导 率增大，隔热效率降低。如果进一步提高发动机的工作温度，需要降低涂层材料的热导率。 美国专利6，231,991中报道了一种具有烧绿石结构的材料，特别是LaJr2O7作为热障涂 层材料，它具有低的热导率，良好的相稳定性。同时中国专利CN1M9551C、CN1613920A和 CN1621556A报道了氧化铈掺杂稀土锆酸盐材料或铈酸盐材料。但是，该锆酸盐和铈酸盐材 料及其单一组分掺杂材料的热膨胀系数在低温段存在剧烈波动QOO 400°C)。因此在使 用过程中，由于热膨胀系数的不匹配所导致的涂层热应力增大，涂层的热循环寿命降低。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种热膨胀系数平稳的烧绿石结构稀土锆酸盐材料，以克服 现有技术的不足。本专利技术的另一目的是提供上述材料的制备方法，采用该方法制备的材料粉体适用 于采用等离子体喷涂工艺制备涂层。本专利技术的再一目的是提供上述材料在采用等离子体喷涂工艺在金属基材表面制 备涂层方面的应用。本专利技术一方面，提供了一种烧绿石结构稀土锆酸盐材料，该材料具有下述化学组 成(0. 5-x)R' 203-0· 5Sm203-xR" 203"2Zr02(0 < χ < 0. 5)上述化学式(0.5-x)R' 203-0. 5Sm203-xR〃 203-2Zr02 中，右下标数字及(0. 5-χ)、 0. 5、χ、2均表示各化学元素间的摩尔配比关系。其中，R'为离子半径大于Sm的一种稀土元素或多种稀土元素的组合，R"为离子 半径小于Sm的一种稀土元素或多种稀土元素的组合。较佳地，R'的离子半径rE,满足0. 1109nm ( rE, ( 0. 116nm, R"的离子半径rr 满足0. 0985nm彡rE 彡0. 1053nm (离子半径按正三价、配位数为8时的稀土元素的离子半径计)。较佳地，R'为La、Nd中的一种或La和Nd的组合，R〃为Gd、Dy、Yb中的一种或两 种以上的组合。当R'或R"为两种或两种以上所述稀土元素的组合时，所使用的该两种或两种 以上稀土元素之间可以任意比例混合。进一步，本专利技术的烧绿石结构稀土锆酸盐材料具有下述化学组成(0. 5-x)R' 203-0· 5Sm203-xR〃 203"2Zr02(0 < χ ^ 0. 25)其中，R'为离子半径大于Sm的一种稀土元素或其组合，R"为离子半径小于Sm的 一种稀土元素或其组合；优选R'为离子半径0. 1109 ^ rE, ^0.116的一种稀土元素或其 组合，R"为离子半径0. 0985 ( rr ( 0. 1053的一种稀土元素或其组合。较佳地，R'为La、Nd中的一种或La和Nd的组合，R〃为Gd、Dy、Yb中的一种或两 种以上的组合。更进一步，本专利技术的烧绿石结构稀土锆酸盐材料中，R' 203与R" 203的摩尔比在 4 1和1 1之间，即0. 1彡χ彡0. 25。本专利技术在烧绿石结构-稀土锆酸盐材料中掺入两种或者两种以上离子半径不同 的稀土元素，掺入的稀土元素的离子半径分别大于和小于基体相稀土元素；同时通过调整 掺入稀土元素的含量比例和种类保证形成烧绿石结构，并改善热膨胀系数在低温段的剧烈 波动，获得了稳定热膨胀系数、低热导率和高抗烧结性能的高温热障涂层材料。本专利技术另一方面，提供了一种适合等离子体喷涂的热障涂层材料粉体的制备方 法，其步骤包括A、将化合物 R' 203、Sm203、R" 203 和 ZrO2 的粉体按(0. 5_x) 0. 5 χ 2 摩尔比混合；B、在混合粉体中加入有机溶剂，研磨混合均勻后干燥；C、将干燥后的混合粉体压实，在1350 1650°C加热3 10小时后冷却到室温，然 后将所得材料粉碎、过筛、球磨，得到粒度小于1 μ m的粉体；D、将步骤C所得粉体加入粘结剂，造粒，并过筛后得到烧绿石结构稀土锆酸盐材 料粉体。步骤A中，0 < χ < 0. 5，优选为0 < χ彡0. 25，最优选为0. 1彡χ彡0. 25。步骤B中，所述有机溶剂可以是易挥发的极性溶剂，如乙醇、丙酮等，本方法中优 选使用无水乙醇；所述研磨过程为以200 450r/min的转速混合研磨5 M小时；所述干 燥可以采用常规的烘干条件，如在80°C条件下烘干。步骤C中，所述球磨的时间为5 M小时，以得到粒度小于1 μ m的粉体。为了得 到单一物相、粒径小于ι μ m的粉体，可将该步骤C重复多次进行。步骤D中，所述粘结剂为聚乙烯醇(PVA)、淀粉、蛋白质、糊精、动物胶、合成树脂、 或水玻璃中的一种，本专利技术优选为聚乙烯醇。所述粘结剂的用量为本领域的技术人员所熟 知，通常其加入量为所述粉体总重量的3%。 7%。，本专利技术中的粘结剂选用以重量含量为 7-10%的粘结剂的水溶液形式加入。采用上述制备方法，制得的烧绿石结构稀土锆酸盐粉体材料流动性良好，能适用 于等离子体喷涂技术制备涂层。本专利技术的第三个方面，提供了一种上述材料的用途，即将上述烧绿石结构稀土锆 酸盐材料用等离子体喷涂工艺在金属基材表面制备热障涂层，该热障涂层适用于室温到 1550°C的环境。本专利技术通过离子半径分别大于和小于基体相稀土元素的稀土元素氧化物稳定材 料的结构，改善热膨胀系数的低温波动，获得低温段热膨胀系数稳定的烧绿石结构高温热 障涂层材料。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点1)本专利技术提供的烧绿石结构稀土锆酸盐材料具有低热导率、高热稳定性和抗高温 烧结性能，其热膨胀性能比单一的烧绿石结构材料稳定，有利于降低热循环过程中由于热 膨胀系数不匹配产生的热应力，可提高涂层的热循环寿命。2)本专利技术的制备的烧绿石结构稀土锆酸盐材料在室温到1200°C之间的平均热膨 胀系数可达11.8X10_6/K，且在低温段无急剧变化。3)由于本专利技术的烧绿石结构稀土锆酸盐材料高温相稳定性好，可以用来设计和制 备使用温度低于1550°C的新型高温热障涂层材料。4)本专利技术提供的制备方法，制备简单，易于操作，所制得的材料粉体流动性好，适 用于等离子喷涂制备涂层。附图说明图 1 为实施例 1 中制备的 0. 4La203 · 0. 5Sm203 · 0. IYb2O3 · 2Zr02 和 Sm2O3 · 2Zr02 的 XRD图谱。图 2 为实施例 1 和 3 中制备的 0. 4La203 ·本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种烧绿石结构稀土锆酸盐材料，其特征在于，具有下述化学组成：（０．５－ｘ）Ｒ′↓［２］Ｏ↓［３］－０．５Ｓｍ↓［２］Ｏ↓［３］－ｘＲ″↓［２］Ｏ↓［３］－２ＺｒＯ↓［２］（０＜ｘ＜０．５）其中，Ｒ′为离子半径大于Ｓｍ的一种稀土元素或多种稀土元素的组合，Ｒ″为离子半径小于Ｓｍ的一种稀土元素或多种稀土元素的组合。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：于建华，陶顺衍，赵华玉，周霞明，丁传贤，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：31
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