CN101397214A - 多元共稳定氧化锆热障涂层材料及制备方法 - Google Patents

多元共稳定氧化锆热障涂层材料及制备方法 Download PDF

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李培忠
于海涛
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本发明涉及一种多元共稳定氧化锆热障涂层材料及制备方法，属于材料领域。特点是：由下列物料的摩尔分数组成：氧化锆、氧化钇、氧化铌或氧化钽、稀土氧。制备方法：用氧化锆球湿法研磨，烘干，模压；预烧，得预烧块体；将预烧块体粉碎，再进行湿法球磨，得浆料；将浆料干燥、造粒，模压得坯体，坯体烧结即可多元共稳定氧化锆热障涂层材料；该陶瓷材料可作为EB－PVD法制备热障涂层的靶材。本发明在YSZ中引入第三相Nb2O5/Ta2O5来拓展t－ZrO2的稳定存在区间从而获得非转变的t’－ZrO2，并在此基础上，通过加入稀土氧化物，增加缺陷，提高声子或光子散射，从而提高了ZrO2热障涂层的使用温度以降低材料的导热系数。

Description

多元共稳定氧化锆热障涂层材料及制备方法
一、技术领域
本发明涉及一种多元共稳定氧化锆热障涂层材料及制备方法，属于材料领域。
二、背景技术
随着航空航天工业的发展，发动机向具有高推重比和大推动力方向发展，采用的主要措施是提高涡轮机进口温度。这使得原有的制造航空发动机的高温合金材料已经不能满足要求。为提高发动机的使用温度，目前普遍采用的方法是在航空发动机和各类燃气轮机的涡轮机工作叶片、导向叶片、涡轮盘、燃烧室等热端部件表面先涂覆一层如NiCrAlY等的过渡合金层，再在其上涂履一层6～8％氧化钇(Y2O3)部分稳定的氧化锆(ZrO2)(Y-PSZ)热障涂层材料，以降低发动机基体材料的温度，防止发动机基体材料的氧化、腐蚀，提高发动机的工作温度，延长发动机的寿命。然而目前使用的Y-PSZ基热障涂层材料具有以下缺点：1)当使用温度高于1100℃时，涂层易烧结，涂层内的微裂纹和微孔会愈合，而导致陶瓷涂层致密化，引起涂层材料体积的变化，加剧涂层与基体的应力不匹配，进一步导致涂层缺陷的产生。2)当使用温度超过700℃，Y-PSZ热障涂层中大量的氧空位会加速氧离子传输而导致金属粘结层的快速氧化，使其体积增加，应力增大，最终热障涂层失效。3)随着工作温度的升高，这类材料在1170℃左右发生晶型转变，由单斜相转变为四方相，伴随着约7％的体积膨胀。由此引起的3％~6％的热应力也会促进氧化锆基热障涂层在高温失效。上述缺点限制了航空发动机工作温度的提高，阻碍航空航天工业的进一步发展。
三、发明内容
本发明的目的在于提供一种能够提高ZrO2热障涂层的使用温度、抑制涂层烧结及降低材料热导率的多元共稳定氧化锆热障涂层材料。
技术解决方案：
本发明由下列物料按摩尔分数组成：氧化锆ZrO2 0.82-0.84、氧化钇Y2O30.08-0.09、氧化铌Nb2O5或氧化钽Ta2O5 0.08-0.09，稀土氧化物占上述总物料的摩尔分数为0.001-0.03。
制备方法如下：以氧化锆球为研磨体在聚氨酯球磨罐中湿法球磨12~24h，烘干浆料，烘干温度为60~100℃，模压成型；成型体在高温炉内于1200~1600℃的温度下进行预烧5~24h，得到预烧块体；将上述预烧块体粉碎，再次放入聚氨酯球磨罐中用氧化锆球进行湿法球磨12~24h，得到陶瓷浆料；将上述陶瓷浆料在干燥箱中干燥，干燥温度为60~100℃，然后进行造粒，模压成型并利用等静压二次成型；成型的坯体在1250~1600℃烧结5~24h，得到多元共稳定氧化锆热障涂层材料；该陶瓷材料可作为EB-PVD法制备热障涂层的靶材。
本发明由于在YSZ中引入第三相Nb2O5/Ta2O5来拓展t-ZrO2的稳定存在区间从而获得非转变的t’-ZrO2，并在此基础上，通过加入稀土氧化物，增加缺陷，提高声子或光子散射，从而起到提高ZrO2热障涂层的使用温度，抑制涂层烧结以及降低材料的导热系数的作用。
四、附图说明
图1为本发明合成的热障陶瓷材料X-射线衍射结果图；
图2为本发明合成的热障陶瓷材料热扩散系数测定结果图；
图3为本发明合成的热障陶瓷材料导热系数测定结果图；
图4为本发明合成的热障陶瓷材料热膨胀系数测定结果图；
图5为本发明合成的添加Nb2O5热障陶瓷材料的SEM照片；
图6为本发明合成的添加Ta2O5热障陶瓷材料的SEM照片。
五、具体实施方式
实施例1：
根据计算称量ZrO2 19.490克、Y2O3 3.555克、Ta2O5 6.956克、Nd2O3 1.276克，装入聚氨酯球磨罐内，以氧化锆球为研磨体，加入适量乙醇进行湿磨，20小时后取出放入烘箱中80℃烘至恒重。然后将干燥粉末转移至研钵中加入少许由聚乙烯醇作成的黏结剂进行造粒，并利用台式压片机模压成型。将上述压制所得素坯放入二硅化钼炉中预烧至1550℃，保温5小时，随炉冷却后取出。将预烧后的素坯碾碎，继续以氧化锆球为研磨体湿磨24h，放入烘箱中70℃烘至恒重，再次造粒、模压成型、排胶，然后送入高温炉中进行烧结，烧结温度：1600℃，时间：5h，得到多元共稳定热障陶瓷材料ZYT-1。
实施例2：
根据计算称量19.490克ZrO2、3.555克Y2O3、6.956克Ta2O5以及1.323克Sm2O3，装入球磨罐内，以氧化锆球为研磨休，加入适量乙醇进行湿磨，16小时后取出放入烘箱中60℃烘至恒重。然后将干燥粉末转移至研钵中加入少许由聚乙烯醇作成的黏结剂进行造粒，并利用台式压片机模压成型。将上述压制所得素坯放入二硅化钼炉中预烧至1450℃，保温10小时，随炉冷却后取出。将预烧后的素坯碾碎，继续以氧化锆球为研磨体湿磨16h，放入烘箱中70℃烘至恒重，再次造粒、模压成型、排胶，然后送入高温炉中进行烧结，烧结温度：1300℃，时间：20h，得到多元共稳定热障陶瓷材料ZYT-2。
实施例3：
根据计算称量19.490克ZrO2、3.555克Y2O3、6.956克Ta2O5以及1.375克Gd2O3，装入球磨罐内，以氧化锆球为研磨体，加入适量乙醇进行湿磨，18小时后取出放入烘箱中90℃烘至恒重。然后将干燥粉末转移至研钵中加入少许由聚乙烯醇作成的黏结剂进行造粒，并利用台式压片机模压成型。将上述压制所得素坯放入二硅化钼炉中预烧至1300℃，保温12小时，随炉冷却后取出。将预烧后的素坯碾碎，继续以氧化锆球为研磨体湿磨18h，放入烘箱中70℃烘至恒重，再次造粒、模压成型、排胶，然后送入高温炉中进行烧结，烧结温度：1400℃，时间：12h，得到多元共稳定热障陶瓷材料ZYT-3。
实施例4：
根据计算称量19.490克ZrO2、3.555克Y2O3、4.184克Nb2O5以及1.276克Nd2O3，装入球磨罐内，以氧化锆球为研磨体，加入适量乙醇进行湿磨，20小时后取出放入烘箱中90℃烘至恒重。然后将干燥粉末转移至研钵中加入少许由聚乙烯醇制成的黏结剂进行造粒，并利用台式压片机模压成型。将上述压制所得素坯放入二硅化钼炉中预烧至1500℃，保温8小时，随炉冷却后取出。将预烧后的素坯碾碎，继续以氧化锆球为研磨体湿磨22h，放入烘箱中70℃烘至恒重，再次造粒、模压成型、排胶，然后送入高温炉中进行烧结，烧结温度：1450℃，时间：10h，得到多元共稳定热障陶瓷材料ZYN-1。
实施例5：
根据计算称量19.490克ZrO2、3.555克Y2O3、4.184克Nb2O5以及1.323克Sm2O3，装入球磨罐内，以氧化锆球为研磨体，加入适量乙醇进行湿磨，22小时后取出放入烘箱中70℃烘至恒重。然后将干燥粉末转移至研钵中加入少许由聚乙烯醇制成的黏结剂进行造粒，并利用台式压片机模压成型。将上述压制所得素坯放入二硅化钼炉中预烧至1550℃，保温6小时，随炉冷却后取出。将预烧后的素坯碾碎，继续以氧化锆球为研磨体湿磨20h，放入烘箱中70℃烘至恒重，再次造粒、模压成型、排胶，然后送入高温炉中进行烧结，烧结温度：1600℃，时间：5h，得到多元共稳定热障陶瓷材料ZYN-2。
实施例6：
根据计算称量19.4905克ZrO2、3.555克Y2O3、4.184克Nb2O5以及1.375克Gd2O3，装入球磨罐内，以氧化锆球为研磨体，加入适量乙醇进行湿磨，18小时后取出放入烘箱中70℃烘至恒重。然后将干燥粉末转移至研钵中加入少许由聚乙烯醇制成的黏结剂进行造粒，并利用台式压片机模压成型。将上述压制所得素坯放入二硅化钼炉中预烧至1400℃，保温20小时，随炉冷却后取出。将预烧后的素坯碾碎，继续以氧化锆球为研磨体湿磨24h，放入烘箱中70℃烘至恒重，再次造粒、模压成型、排胶，然后送入高温炉中进行烧结，烧结温度：1400℃，时间：20h，得到多元共稳定热障陶瓷材料ZYN-3。

Claims (3)

1、多元共稳定氧化锆热障涂层材料，其特征在于；由下列物料按摩尔分数组成：氧化锆ZrO2 0.82-0.84、氧化钇Y2O3 0.08-0.09、氧化铌Nb2O5或氧化钽Ta2O5 0.08-0.09，稀土氧化物占上述总物料的摩尔分数为0.001-0.03。
2、多元共稳定氧化锆热障涂层材料的制备方法，其特征在于；制备方法如下：以氧化锆球为研磨体，将上述原料在球磨罐中湿法球磨12~24h，烘干浆料，烘干温度为60~100℃，模压成型；成型体在高温炉内于1200~1600℃的温度下进行预烧5～24h，得到预烧块体；将上述预烧块体粉碎至1mm以下，再次放入球磨罐中用氧化锆球进行湿法球磨，球磨时间：12～24h得到陶瓷浆料；将上述陶瓷浆料在干燥箱中干燥，干燥温度为60～100℃，然后进行造粒，模压成型并利用等静压二次成型；成型的坯体在1250～1600℃烧结5～24h，得到多元共稳定氧化锆热障涂层材料。
3、根据权利要求1所述的多元共稳定氧化锆热障涂层材料，其特征在于；稀土氧化物为氧化钕Nd2O3、氧化钐Sm2O3、氧化钆Gd2O3或氧化镧La2O3。
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