[发明专利]一种抗低熔点氧化物腐蚀的稀土钽酸盐陶瓷及其制备方法

说明书

本发明涉及热障涂层技术领域，具体公开了一种抗低熔点氧化物腐蚀的稀土钽酸盐陶瓷，该陶瓷的化学通式为RETaO₄，该陶瓷的晶体结构为单斜相，晶格空间群为I2(5)，该陶瓷的致密度大于98％；该陶瓷的制备方法为：称取RE:Ta的摩尔比为1:1的RE₂O₃粉末和Ta₂O₅粉末，加入溶剂混合，采用球磨机进行球磨，得到粉末A；将粉末A干燥后进行第一次过筛，得到粉末B；将粉末B放置在模具内压实后进行预烧结，形成块体C，待块体C冷却至室温后采用研磨机进行研磨，后进行第二次过筛，得到粉末D；将粉末D烧结得到稀土钽酸盐陶瓷。采用本发明中的技术方案得到的稀土钽酸盐陶瓷致密度大于98％，耐低熔点氧化物腐蚀能力强。

技术领域

本发明涉及热障涂层技术领域，特别涉及抗低熔点氧化物腐蚀的稀土钽酸盐陶瓷及其制备方法。

背景技术

热障涂层主要应用于航空发动机工业，主要起到隔热、降低涂层与合金基体间的热失配、有效抵抗粒子冲击从而保护航空发动机高温区域零部件的作用，要求其具有良好的热力学性能，例如低的热导率、高的热膨胀系数以及高温稳定性等。

目前广泛使用的热障涂层主要有氧化钇稳定氧化锆(YSZ)和稀土锆酸盐(RE₂Zr₂O₇)等，但均存在一定程度的不足：YSZ使用温度较低(≦1200℃)，且热导率相对较高；而稀土锆酸盐则存在热膨胀系数较低的问题，这就促使研究人员去寻找能够替代上述陶瓷材料的热障涂层，2007年哈佛大学Clarke教授课题组同加州大学圣巴巴拉分校的Levi教授等提出了钽酸钇(YTaO₄)铁弹体有望作为新型热障涂层材料，但关于稀土钽酸盐的研究主要集中在其晶体结构和发光性能等方面的理论计算；2016年Wang等人通过固相反应法制得了稀土钽酸盐块体材料，得出了热导率远小于YSZ材料的结论，研究人员的大量研究与实验结论为稀土钽酸盐在热障涂层上的应用提供了理论的基础。

目前的陶瓷粉体的制备方法(如水热法、固相反应法等)使得稀土钽酸盐粉体的晶体结构内存在一定的微裂纹和气孔，由于航空发动机在恶劣的环境中飞越时，如火山岩上空等，会从进气道吸入一定的沙粒、浮尘和飞灰。经测试，这些硅酸盐矿物颗粒的化学组分都基本相同，主要为CaO、MgO、Al₂O₃、SiO₂以及少量的Ni和Fe的氧化物，其熔点大约在1200℃左右，统称为钙镁铝硅酸盐(Calcium-Magnesium-Alumino-Silicate，CMAS)。随着航空工业的发展，发动机涡轮前进口温度通常在1200℃以上，而在1200℃时，CMAS颗粒就会发生融化，因此又将CMAS颗粒称作低熔点氧化物，CMAS颗粒融化后在热障涂层的表面沉积，并沿着涂层中的裂纹“缓慢”渗入到涂层的内部，冷却过程中产生的脆性玻璃相导致涂层应变容限降低，从而引发涂层分层开裂，最后失效的问题。

发明内容

本发明提供了一种抗低熔点氧化物腐蚀的稀土钽酸盐陶瓷及其制备方法，以解决现有的热障涂层在恶劣环境中容易产生开裂的问题。

为了达到上述目的，本发明的基础方案为：

一种抗低熔点氧化物腐蚀的稀土钽酸盐陶瓷，该陶瓷的化学通式为RETaO₄，该陶瓷的晶体结构为单斜相，晶格空间群为I2(5)，该陶瓷的致密度大于98％。

本基础方案的技术原理和效果在于：

1、本基础方案中一种抗低熔点氧化物腐蚀的稀土钽酸盐陶瓷的致密度大于98％，即稀土钽酸盐内的裂纹和气孔含量非常少，使得低熔点氧化物(如航空发动机工作环境中的氧化钙、氧化镁、氧化铝和氧化硅)在高温下融化后无法有效渗透进入到陶瓷的内部，阻止了熔融状态的氧化物的渗透及和陶瓷材料的反应。