[发明专利]用于热喷涂的二氧化锆粉末

说明书

本发明涉及用于热喷涂的二氧化锆粉末及其制备方法。此外，本发明还涉及使用本发明的二氧化锆粉末获得的隔热层。

技术领域

本发明涉及用于热喷涂的二氧化锆粉末及其制备方法。此外，本发明涉及使用本发明的二氧化锆粉末获得的隔热层。

背景技术

在隔热层的制造中使用二氧化锆粉末具有悠久的历史。然而，为了获得更高的效率，有必要尽可能地提高固定涡轮机(例如在发电中)或飞行涡轮机(例如在航空中)的过程温度。然而，由于涡轮机的高温部分中的基本部件例如叶片、导向叶片和燃烧室，由金属材料制成，因此燃烧温度不能任意高地设定。在这些情况下，可以使用隔热层来保护受影响的部件。目前，用于这种金属部件的热隔绝的常用材料是用氧化钇稳定化的二氧化锆，特别是具有6-9重量％氧化钇的那些(通常也被称为“7YSZ”、“7.5YSZ”或“8YSZ”)，其在以下被称为“8YSZ”。

为了完成其作为保护层的任务，隔热层的特征应是尽可能低的导热率。根据文献，以单晶形式存在的用氧化钇稳定化的二氧化锆的导热率约为2.1至2.9W/mK。关于所谓的固有导热率的这种数据所基于的是致密且无缺陷形式的材料。然而，实际上，由于材料是以涂层形式涂覆到涡轮机部件上的，因此在由8YSZ制成的隔热层上通常测得的值在1和2W/mK之间。这些涂层包含许多干扰热流的缺陷，从而导热率与固有导热率相比有所降低。这些缺陷例如是喷涂层中所谓的“碎片”之间的非连贯界面、非晶态、晶界、孔、错位或裂纹。因此，隔热层的隔热效果不仅取决于喷涂材料的固有导热率，而且主要取决于产生类型(例如粉末或悬浮液的等离子喷涂，或EB-PVD[电子束物理气相沉积])。所用喷涂粉末的性质也起着另外至关重要的作用。两者都决定了隔热层的缺陷和隔热效果比单晶时高出多少倍的效果。

如果隔热层不是由粉末的熔化和沉积产生的，而是至少部分地通过冷凝从气相沉积的，则隔热层会受到特别干扰。例如，所谓的EB-PVD方法(从烧结的靶材开始)或ChamPro方法(其粉末通过等离子蒸发)或悬浮液等离子喷涂的特殊形式。所有方法在设备方面都非常昂贵，并且具有生产率或沉积速率低的特征。这种由8YSZ制成的受干扰的涂层的导热率可能小于1W/mK。

出于实际的手工可操作性的原因，通常优选较便宜且生产率更高的等离子喷涂粉末的方法。但是，如此获得的层受到的干扰较小，因此，隔热材料的固有导热率更加有效。取决于该层的缺陷，例如由于孔隙率，使用8YSZ可获得1.2-2.2W/mK的导热率的典型值。

文献中建议了一系列材料用于改善传统8YSZ的热隔绝。个别的化合物(如烧绿石、钙钛矿、铝酸盐和锆酸盐)的特征在于非常低的固有导热率，但在等离子喷涂中由于蒸发而失去不可控制量的氧化成分，从而在含二氧化锆的复合物/混合物中会出现不稳定的二氧化锆，这又由于发生相变和与其相关的体积变化而导致涂层中的裂纹。此外，它们比较脆，并因此产生具有比较差的热循环特性的涂层。

一种替代方案是具有一种或多种稳定氧化物(例如氧化钇和/或一种或多种稀土氧化物)的基于二氧化锆的所谓“固溶体”。由于鉴于其稳定氧化物的含量，固溶体的存在范围自然很广，并且这种用高浓度的稳定氧化物稳定的二氧化锆从高温到室温存在于所谓的氟化物缺陷结构中，稳定氧化物的热循环和损失在等离子喷涂中实际上没有作用，因为没有形成新的相，特别是没有不稳定的并因此可转化的二氧化锆。例如，在US6,812,176、US6,890,668 B2、US7,041,383 B2和EP 1 400611中描述了这种材料概念/材料方案的示例。

但是，所有上述材料的共同点是，所报告的导热率是基于未进一步表征的层或基于EB-PVD层，因此完全无法评估缺陷度，并因此也无法评估固溶体的固有导热率。

已知的固溶体材料的缺点是氧化钇含量高。由于其分子量低，在等离子喷涂中它比例如镧系或稀土氧化物更容易被蒸发。另外，它更容易与硅酸盐反应，因此隔热层在高温下失去稳定剂并变成可转化的。该现象被称为“CMAS腐蚀”。因此，对于这两种现象，Y₂O₃并非稳定氧化物的适当损失储备，因为该材料在等离子喷涂中或以后的使用中可以转变。