[发明专利]一种热障涂层用高熵氧化物粉末材料及其制备方法和应用

说明书

本发明属于航空航天发动机用材料技术领域，公开了一种热障涂层用高熵氧化物粉末材料及其制备方法和应用，本发明以CeO₂的萤石结构为基质，采用共沉淀法，在CeO₂的萤石结构的内部引入至少两种金属元素获得无序萤石结构的高熵氧化物粉末材料；所述金属元素包括稀土元素以及过渡族金属元素；稀土元素为La和Pr中的一种或两种；过渡族金属元素为Zr和Y中的一种或两种。本发明使用共沉淀法合成微米级高熵氧化物粉末材料，并通过涂刷法结合真空熔炼法的技术，完成热障涂层的制备，且本发明制备的高熵氧化物粉末材料弥补了传统热障涂层YSZ材料的缺点，在1500℃附近仍能保持相稳定性，将热障涂层材料体系拓宽到高熵陶瓷领域。

技术领域

本发明涉及航空航天发动机用材料技术领域，尤其涉及一种热障涂层用高熵氧化物粉末材料及其制备方法和应用。

背景技术

热障涂层(TBC)是采用耐高温和低导热的陶瓷材料以涂层的方式与金属相复合，从而降低高温环境下金属表面温度的一种热防护技术。热障涂层主要应用在航空发动机的热端部件上，包括高压涡轮导向叶片、涡轮转子叶片和燃烧室中等。高温防护涂层(热障涂层)、高温结构材料以及高温冷却技术共同构成先进涡轮发动机中的三大问题。

航空发动机的热端部件以金属材料为主，面对1300℃左右的工作环境，金属材料很难抵抗，面临着严重的力学性能下降，对发动机工作的安全性造成影响。但是开发耐超高温合金材料的成本远远超过研发热障涂层，因此在航空发动机热端部件上制备高温性能较好的陶瓷材料热障涂层，是解决其高温防护问题的主要方法。

为此，本领域技术人员提出了以MCrAlY(M＝Ni、Co、Fe、Ni+Co)高温抗氧化合金为粘结层，Y₂O₃稳定的ZrO₂陶瓷(YSZ)隔热涂层。ZrO₂具有高熔点、低热导率和高热膨胀系数等优良性能，是热障涂层陶瓷层的首选材料。但是纯ZrO₂的相稳定性差，抗热震性能不佳，不适合直接用作热障涂层，现有技术通常解决办法是在ZrO₂中加入稳定剂。本领域技术人员以稀土元素作为ZrO₂稳定剂制备的热障涂层，当使用温度长期高于1250℃时，YSZ热障涂层会发生相变而导致涂层内部产生裂纹，进而引起涂层失效。

除了相变产生的涂层失效外，YSZ热障涂层在使用过程中易发生烧结而致密化，导致涂层的应变容限下降和隔热性能降低。当涡轮叶片热障涂层表面温度超过1200℃时，附着在上面的沙尘等将会融化。这些附着物的主要成分是CaO，MgO，Al₂O₃，SiO₂，即通常所说的CMAS。融化的CMAS进入到涂层内部会与Y₂O₃发生反应，造成稳定剂失效，进一步导致YSZ涂层失效。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种热障涂层用高熵氧化物粉末材料及其制备方法和应用。

发明内容

为了解决上述现有铝基热障涂层热稳定性差，使用温度受限、高温下晶粒长大严重、易发生相变以及CMAS腐蚀现象等问题，本发明提供一种热障涂层用高熵氧化物粉末材料及其制备方法和应用。

本发明根据热障涂层服役要求，设计了一种适用于航空发动机热端部件隔热涂层的高熵氧化物陶瓷新材料，使用共沉淀法完成该新材料微米级粉末的合成，并提出使用涂刷法结合真空熔炼法的技术，完成热障涂层的制备。该新材料弥补了传统热障涂层YSZ材料的缺点，在1500℃附近仍能保持相稳定性，将热障涂层材料体系拓宽到高熵陶瓷领域。

本发明的一种热障涂层用高熵氧化物粉末材料及其制备方法和应用是通过以下技术方案实现的：

本发明的第一个目的是提供一种热障涂层用高熵氧化物粉末材料的制备方法，包括以下步骤：