CN101012123A

CN101012123A - 一种Yb2O3和Gd2O3掺杂YSZ的高热膨胀率热障涂层材料

Info

Publication number: CN101012123A
Application number: CN 200710063190
Authority: CN
Inventors: 马岳; 张宇园; 宫声凯; 郭洪波
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2007-01-31
Filing date: 2007-01-31
Publication date: 2007-08-08

Abstract

本发明公开了一种Yb₂O₃和Gd₂O₃掺杂YSZ的高热膨胀率热障涂层陶瓷层材料，所述陶瓷层材料的组成为xYb₂O₃－xGd₂O₃－(1－2x)(ZrO₂－3.5～4.0at％Y₂O₃)，1at％＜x＜13at％。本发明陶瓷层材料的热导率在1000℃～1400℃比YSZ的热导率低20～30％；热膨胀系数比YSZ的要高30～40％。

Description

一种Yb2O3和Gd2O3掺杂YSZ的高热膨胀率热障涂层材料

技术领域

本发明涉及一种适用于航空发动机涡轮叶片上的热障涂层材料，更特别地说，是指一种Yb₂O₃和Gd₂O₃掺杂YSZ(ZrO₂-3.5～4.0mol％Y₂O₃)的高热膨胀率热障涂层材料。

背景技术

热障涂层主要涂覆在导向叶片、转子叶片等航空发动机热端部件的表面，不仅具有良好的隔热效果，同时还可以提高发动机的工作温度和部件的抗腐蚀能力，延长热端部件的使用寿命。随着航空燃气发动机向高流量比、高推重比方向发展，推重比10级航空发动机的设计出口温度已达到1850K以上，推重比15以上的航空发动机的设计出口温度将超过2000K。上个世纪70年代以来，发动机工作温度的进一步提高，主要是靠叶片设计上的突破，即气膜冷却技术的应用来实现的。内部通冷却气体的镍基合金叶片的环境工作温度大约在1000℃左右，根据目前发动机冷却能力，气膜冷却最大可使工件表面温度降低约400K，而目前高温合金的最高使用温度在1373K以下(仅相对于10级航空发动机)，粗略估算有100～200K的温度差需要克服。先进的气膜冷却技术虽然可以将工作温度提高近400K，但是在降低叶片温度的同时，会不可避免地损失很大一部分能量，使发动机的负担加重；而且气孔的加工比较困难也非常昂贵。叶片使用的极端条件可以用以下事实来描述，即金属达到最高使用温度后每升高10～15℃，涡轮叶片的蠕变寿命就会降低50％。目前，要想通过单一的冷却结构设计使叶片工作温度再提高几百摄氏度极端困难。因此现在单独使用金属材料已经不能满足燃烧室的燃气温度和压力的设计及使用要求。采用热障涂层(TBC)可以使高温合金叶片在更高的温度下工作。热障涂层不仅具有良好的隔热效果，同时还可以提高发动机的工作温度和部件的抗腐蚀能力，延长热端部件的使用寿命。热障涂层技术的研究成本较低，工艺技术可行。因此，热障涂层技术已成为未来涡轮发动机热端部件高温防护涂层技术的发展方向。

传统YSZ(ZrO₃-3.5～4.0mol％Y₂O₃)，也称(8wt％Y₂O₃-ZrO₂)被公认为是一种标准的陶瓷隔热涂层材料，具有较高的热膨胀系数(大于10×10^-6K^-1)，较低的热导率(1.0～1.1Wm^-1K^-1)。但是，当使用温度高于1200℃时，ZrO₂亚稳四方相将转变为四方相和立方相，然后转变为单斜相，产生大约4％的体积变化，导致涂层剥落失效，使得热障涂层寿命降低。

发明内容

本发明的目的是制备出一种比传统YSZ具有更低热导率和更高热膨胀率的新型Yb₂O₃和Gd₂O₃掺杂的YSZ热障涂层材料，该高热膨胀率热障涂层材料采用掺杂Gd、Yb元素来优化YSZ的热膨胀系数，抗热腐蚀性能等。该陶瓷材料是用于航空发动机涡轮叶片的。

本发明是一种Yb₂O₃和Gd₂O₃掺杂YSZ的高热膨胀率热障涂层材料，所述高热膨胀率热障涂层材料的组成为xYb₂O₃-xGd₂O₃-(1-2x)(ZrO₂-3.5～4.0mol％Y₂O₃)，1mol％＜x＜13mol％。

所述高热膨胀率热障涂层材料的使用温度为25℃～1400℃。所述高热膨胀率热障涂层材料的热导率在1000℃～1400℃比YSZ的热导率低20～30％；热膨胀系数比YSZ的要高30～40％。

附图说明

图1是本发明新型陶瓷材料与传统YSZ的热导率曲线图，图中，随着温度的升高，本发明新型陶瓷材料3.5mol％Yb₂O₃-3.5mol％Gd₂O₃-93mol％(YrO₂-3.5mol％Y₂O₃)的热导率与YSZ相比低20％～30％。

图2是3.5mol％Yb₂O₃-3.5mol％Gd₂O₃-93mol％(ZrO₂-3.5mol％Y₂O₃)粉末在常温到高温段(1400℃)过程中的DSC图像，可以看出，高温段曲线没有明显的峰产生，即没有发现新相生成，说明该材料具有很好的相稳定性，适合用于高温热障涂层。

图3是3.5mol％Yb₂O₃-3.5mol％Gd₂O₃-93mol％(ZrO₂-3.5mol％Y₂O₃)粉末的热膨胀系数图，常温到1400℃的热膨胀系数变化不大，且高温段的热膨胀系数达到13.4～14.4×10^-6K^-1，比传统的YSZ粉末(10～11×10^-6K^-1)更接近金属基体的膨胀系数，从而减小涂层由于膨胀系数不匹配引起的应力。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明的一种Yb₂O₃和Gd₂O₃掺杂的YSZ热障涂层陶瓷层材料，化学组成为xYb₂O₃-xGd₂O₃-(1-2x)(ZrO₂-3.5～4.0mol％Y₂O₃)，1mol％＜x＜13mol％。

其制备方法为：先将粉料Yb₂O₃、Gd₂O₃、Y₂O₃和ZrO₂按照摩尔百分比关系进行称取，混合均匀后，在球磨机上球磨2～3小时，烘干；然后将混合粉末在常温下压胚成60×6×6(单位：mm)的长方体，用于测量样品的热膨胀系数；将混合粉末在常温下压胚成Φ10mm×3mm的圆柱体，分别用于测量样品的热扩散系数和比热容。将成型的样品放入马弗炉中，在1300～1500℃烧结24～36小时后，制得本发明Yb₂O₃和Gd₂O₃掺杂的YSZ热障涂层材料样品。为了与传统的YSZ材料作为比较，在相同的工艺条件制得YSZ陶瓷样品。

本发明陶瓷层材料与YSZ陶瓷层材料的区别在于：

(1)本发明陶瓷材料的热导率在1000～1400℃比YSZ的热导率低20～30％；

(2)本发明陶瓷材料的热膨胀系数比YSZ的要高30～40％；

(3)本发明陶瓷粉末在1000～1400℃下长期退火具有很好的相稳定性。

实施例1制3.5mol％Yb₂O₃-3.5mol％Gd₂O₃-93mol％(ZrO₂-3.5mol％Y₂O₃)陶瓷层材料：

配制50g的Yb₂O₃和Gd₂O₃掺杂的YSZ热障涂层陶瓷层材料粉末，其中Yb₂O₃2.95g，Gd₂O₃ 2.71g，Y₂O₃ 1.69g和ZrO₂ 42.65g，经球磨机上球磨2.5小时，烘干；然后将混合粉末在常温下压胚成60×6×6(单位：mm)的长方体，用于测量样品的热膨胀系数(参见图3所示)；将混合粉末在常温下压胚成Φ10mm×3mm的圆柱体，分别用于测量样品的热扩散系数和比热容(参见图2所示)。将两种成型的样品放入马弗炉中，在1400℃烧结24小时后，制得3.5mol％Yb₂O₃-3.5mol％Gd₂O₃-93mol％(ZrO₂-3.5mol％Y₂O₃)样品。

在图3中，常温到1400℃的热膨胀系数变化不大，且高温段的热膨胀系数达到13.4～14.4×10^-6K^-1，比传统的YSZ粉末(10～11×10^-6K^-1)更接近金属基体的膨胀系数，从而减小涂层由于膨胀系数不匹配引起的应力。

在图2中，高温段曲线没有明显的峰产生，即没有发现新相生成，说明该材料具有很好的相稳定性，适合用于高温热障涂层。

在图1中，3.5mol％Yb₂O₃-3.5mol％Gd₂O₃-93mol％(ZrO₂-3.5mol％Y₂O₃)陶瓷层材料的热导率在1000℃～1400℃比YSZ的热导率低24～30％。

实施例2制8.5mol％Yb₂O₃-8.5mol％Gd₂O₃-83mol％(ZrO₂-4.0mol％Y₂O₃)陶瓷层材料：

配制50g的Yb₂O₃和Gd₂O₃掺杂的YSZ热障涂层陶瓷层材料粉末，其中Yb₂O₃6.64g，Gd₂O₃ 6.10g，Y₂O₃ 2.01g和ZrO₂ 35.25g，经球磨机上球磨3小时，烘干；然后将混合粉末在常温下压胚成60×6×6(单位：mm)的长方体，用于测量样品的热膨胀系数；将混合粉末在常温下压胚成Φ10mm×3mm的圆柱体，分别用于测量样品的热扩散系数和比热容。将两种成型的样品放入马弗炉中，在1450℃烧结30小时后，制得8.5mol％Yb₂O₃-8.5mol％Gd₂O₃-83mol％(ZrO₂-4.0mol％Y₂O₃)样品。

经测量，在常温到1400℃的热膨胀系数变化不大，且高温段的热膨胀系数达到14.4～15.0×10^-6K^-1，传统的YSZ粉末为10～11×10^-6K^-1。8.5mol％Yb₂O₃-8.5mol％Gd₂O₃-83mol％(ZrO₂-4.0mol％Y₂O₃)陶瓷层材料的热导率在1000℃～1400℃比YSZ的热导率低20～25％。

本发明的Yb₂O₃和Gd₂O₃掺杂的YSZ热障涂层陶瓷层材料的制备工艺为球磨—烧结—压坯—烧结，采用为常规工艺手段。下面将对不同摩尔比的陶瓷层材料的性能进行说明：(热膨胀系数的高温段温度为1000℃～1400℃)

陶瓷层材料	热膨胀系数(10^-6K^-1)	热导率(WK^-1m^-1)
陶瓷层材料	热膨胀系数(10^-6K^-1)	热导率(WK^-1m^-1)	4.5mol％Yb₂O₃-4.5mol％Gd₂O₃-91mol％(ZrO₂-3.5mol％Y₂O₃)	13.6～14.7	0.7～1.1
4.5mol％Yb₂O₃-4.5mol％Gd₂O₃-91mol％(ZrO₂-4.0mol％Y₂O₃)	13.9～14.9	0.7～1.2	4.5mol％Yb₂O₃-4.5mol％Gd₂O₃-91mol％(ZrO₂-3.5mol％Y₂O₃)	13.6～14.7	0.7～1.1
4.5mol％Yb₂O₃-4.5mol％Gd₂O₃-91mol％(ZrO₂-4.0mol％Y₂O₃)	13.9～14.9	0.7～1.2	6mol％Yb₂O₃-6mol％Gd₂O₃-88mol％(ZrO₂-3.5mol％Y₂O₃)	13.9～15.0	0.8～1.3
7mol％Yb₂O₃-7mol％Gd₂O₃-86mol％(ZrO₂-4.0mol％Y₂O₃)	14.2～15.2	0.7～1.4	6mol％Yb₂O₃-6mol％Gd₂O₃-88mol％(ZrO₂-3.5mol％Y₂O₃)	13.9～15.0	0.8～1.3

8.5mol％Yb₂P₃-8.5mol％Gd₂O₃-83mol％(ZrO₂-3.5mol％Y₂O₃)	14.3～15.4	0.6～1.1
8.5mol％Yb₂P₃-8.5mol％Gd₂O₃-83mol％(ZrO₂-3.5mol％Y₂O₃)	14.3～15.4	0.6～1.1	11.5mol％Yb₂O₃-11.5mol％Gd₂O₃-77mol％(ZrO₂-3.5mol％Y₂O₃)	14.6～15.7	0.7～1.3
13mol％Yb₂O₃-13mol％Gd₂O₃-74mol％(ZrO₂-4.0mol％Y₂O₃)	14.7～15.9	0.9～1.2	11.5mol％Yb₂O₃-11.5mol％Gd₂O₃-77mol％(ZrO₂-3.5mol％Y₂O₃)	14.6～15.7	0.7～1.3

在热障涂层材料中，陶瓷材料的热导率是由于晶格震动的变化引起的，常用声子散射理论来描述。晶格缺陷，杂质，气孔和晶界都能引起晶格散射。本发明提供的一种Yb₂O₃和Gd₂O₃掺杂的YSZ热障涂层陶瓷层材料，是将大的原子半径的稀土元素取代Zr后，产生晶格畸变，更能引起声子散射，降低声子平均自由程，热传导系数随之降低；采用掺杂Gd、Yb元素来优化YSZ的热膨胀系数，抗热腐蚀性能等，使新型陶瓷同时具备低热导率，高热膨胀系数，高温抗烧结等热障涂层所要求的性能。

Claims

1、一种Yb₂O₃和Gd₂O₃掺杂YSZ的高热膨胀率热障涂层材料，其特征在于：所述高热膨胀率热障涂层材料的组成为xYb₂O₃-xGXd₂O₃-(1-2x)(ZrO₂-3.5～4.0mol％Y₂O₃)，1mol％＜x＜13mol％。

2、根据权利要求1所述的热障涂层材料，其特征在于：所述高热膨胀率热障涂层材料的组成为xYb₂O₃-xGd₂O₃-(1-2x)(ZrO₂-3.5～4.0mol％Y₂O₃)，2mol％＜x＜10mol％。

3、根据权利要求1所述的热障涂层材料，其特征在于：所述高热膨胀率热障涂层材料的组成为3.5mol％Yb₂O₃-3.5mol％Gd₂O₃-93mol％(ZrO₂-3.5mol％Y₂O₃)。

4、根据权利要求1所述的热障涂层材料，其特征在于：所述高热膨胀率热障涂层材料的组成为4.5mol％Yb₂O₃-4.5mol％Gd₂O₃-91mol％(ZrO₂-3.5mol％Y₂O₃)。

5、根据权利要求1所述的热障涂层材料，其特征在于：所述高热膨胀率热障涂层材料的组成为4.5mol％Yb₂O₃-4.5mol％Gd₂O₃-91mol％(ZrO₂-4.0mol％Y₂O₃)。

6、根据权利要求1所述的热障涂层材料，其特征在于：所述高热膨胀率热障涂层材料的组成为8.5mol％Yb₂O₃-8.5mol％Gd₂O₃-83mol％(ZrO₂-3.5mol％Y₂O₃)。

7、根据权利要求1所述的热障涂层材料，其特征在于：所述高热膨胀率热障涂层材料的组成为8.5mol％Yb₂O₃-8.5mol％Gd₂O₃-83mol％(ZrO₂-4.0mol％Y₂O₃)。

8、根据权利要求1所述的热障涂层材料，其特征在于：所述高热膨胀率热障涂层材料的组成为11.5mol％Yb₂O₃-11.5mol％Gd₂O₃-77mol％(ZrO₂-3.5mol％Y₂O₃)。

9、根据权利要求1所述的热障涂层材料，其特征在于：所述高热膨胀率热障涂层材料的使用温度为25℃～1400℃。

10、根据权利要求1所述的热障涂层材料，其特征在于：所述高热膨胀率热障涂层材料的热导率在1000℃～1400℃比YSZ的热导率低20～30％；热膨胀系数比YSZ的要高30～40％。