[发明专利]一种复合稀土锆酸盐热障涂层陶瓷材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种热障涂层陶瓷材料及其制备方法

背景技术

随着航空航天工业的迅速发展，发动机向着高推重比方向迅速发展，涡轮叶片的进口温度也随之提高。国外上世纪70年代研制的发动机，涡轮叶片前燃气进口温度已达到1300℃以上；90年代，发动机涡轮叶片前燃气进口温度已达到1550℃～1650℃。为了适应如此高的燃气温度，相应的措施有三种：一是开发出更先进的高温单晶合金材料；二是进一步改进冷却技术；三是开发出高性能热障涂层陶瓷材料。目前，第一种措施高温合金的发展已进入第五代，进一步提高高温合金工作温度的潜力已十分有限；第二种措施气膜冷却技术已经趋于完善，要更进一步提高冷却效率就必须相应的增加冷却气体流量，而冷却气体流量的增加必然是以牺牲发动机的热效率为代价。因此，开发出高性能(低热导、高热膨胀)热障涂层陶瓷材料是改变这种状况的最佳途径。热障涂层在提高热端部件抗高温腐蚀能力的同时，使其能承受更高的使用温度，并具有提高发动机的工作温度、延长热端部件使用寿命的效果。

目前发动机中使用的热障涂层陶瓷材料是7～8wt.％Y₂O₃-ZrO₂陶瓷材料，现有的这种热障涂层具有较低的热导率，较高的热膨胀系数及良好的抗热冲击性，但长期使用温度不能超过1200℃。当超过1200℃时，相变严重(3％～5％的体积变化)、热导率高达3.0W/(m·K)、热膨胀系数低到10×10^-6/K。这样热障涂层将产生裂纹、脱落、从而失效，致使发动机无法正常运行。

发明内容

本发明目的是为了解决现有热障涂层陶瓷材料的温度超过1200℃时存在相变严重、热导率较高和热膨胀系数较低等问题，而提供一种复合稀土锆酸盐热障涂层陶瓷材料及其制备方法。

一种复合稀土锆酸盐热障涂层陶瓷材料的分子式为(Ln_xYb_1-x)₂Zr₂O₇，按摩尔比由2摩尔的氧化锆、x摩尔的稀土氧化物Ln₂O₃和1-x摩尔的稀土氧化物Yb₂O₃制成；其中0＜x＜1，稀土氧化物Ln₂O₃中的Ln为Nd、Sm、Gd中一种；稀土氧化物Ln₂O₃中的Ln为Nd、Sm和Gd中的两种或两种以上稀土元素组成。

本发明复合稀土锆酸盐热障涂层陶瓷材料中Ln³⁺与Yb³⁺的数目之和等于Zr⁴⁺的数目。

制备复合稀土锆酸盐热障涂层陶瓷材料按以下步骤实现：一、将摩尔比为2摩尔的氧化锆、x摩尔的稀土氧化物Ln₂O₃和1-x摩尔的稀土氧化物Yb₂O₃混合，得混合粉体；二、加入与混合粉体等体积的去离子水，球磨6～12h，得混合溶液；三、将混合溶液在温度为120℃的条件下烘干，得烘干的混合粉体；四、将烘干后混合粉体放入空气气氛中，从室温以5℃/min的升温速度升温到1000～1250℃，并保温热处理4～12h，然后冷却至室温，再球磨22～26h，得到粉体A；五、将粉体A从室温以5℃/min的升温速度升温到1250～1350℃，并保温热处理4～12h，冷却至室温，再球磨22～26h，得到粉体B；六、将粉体B从室温以5℃/min的升温速度升温到1350～1450℃，并保温热处理4～12h，冷却至室温，再球磨22～26h，得到粉体C；七、将粉体C放在冷等静压机中，在100～320MPa下冷等静压成型，得坯体；八、将坯体放入高温空气炉中，从室温以5℃/min升温速度升温到1550～1750℃，然后烧结5～30h，再随炉冷却，即得复合稀土锆酸盐热障涂层陶瓷材料；步骤一中稀土氧化物Ln₂O₃中的Ln为Nd、Sm、Gd中一种；稀土氧化物Ln₂O₃中的Ln为Nd、Sm和Gd中的两种或两种以上稀土元素组成；步骤一中0＜x＜1。

本发明通过设计具有不同离子半径稀土氧化物的组元来调控复合稀土锆酸盐的结构，从而显著增强材料的高温相稳定性。