CN101481247A - 一种含二元稀土氧化物的高相稳定复合陶瓷粉末的制备方法 - Google Patents
一种含二元稀土氧化物的高相稳定复合陶瓷粉末的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于陶瓷材料制备技术，涉及一种含二元稀土氧化物的高相稳定Sc2O3－Y2O3－ZrO2复合陶瓷粉末的制备方法。Sc2O3－Y2O3－ZrO2高相稳定复合陶瓷粉末由前驱体粉末分散喷雾干燥、煅烧制得。本发明是一种含二元稀土氧化物的高相稳定复合陶瓷粉末材料的制备方法，该复合陶瓷粉末材料用于热障涂层制备，特别适于用作航空发动机、地面燃气轮机的热端部件的热障涂层材料。由这种新型含二元稀土氧化物的复合陶瓷粉末制备的热障涂层在高温下具有很高的相稳定性，有利于提高热障涂层的工作温度和耐久性。
Description
技术领域
本发明属于氧化物陶瓷材料制备技术领域，涉及一种含二元稀土氧化物的高相稳定复合陶瓷粉末的制备方法。
背景技术
热障涂层是将低导热性的氧化物陶瓷材料以涂层的方式涂覆于合金的表面以降低在高温环境下工作的工件表面温度，既可以提高工件的使用寿命，也可以使得现有的高温合金材料在某些不能承受的高温环境下的使用成为可能。在航空发动机及地面燃气轮机热端部件上涂覆热障涂层，可降低部件表面温度、提高抗氧化腐蚀性能、大幅度延长部件使用寿命。
热障涂层一般采用等离子喷涂或电子束物理气相沉积氧化物陶瓷材料制备。热障涂层工作环境苛刻—高温、氧化环境、燃气冲刷。涂层材料在高温下相稳定性直接影响热障涂层内的应力状态及大小，一旦涂层材料在高温下发生相变，涂层体积将发生变化，涂层内将产生很大的应力，导致涂层开裂剥落，造成热障涂层失效甚至发动机部件高温烧损，因此热障涂层材料非常关键。
尽管目前先进的航空发动机及地面燃气轮机的热端部件均采用了气膜冷却技术，但燃烧室及高压涡轮热端部件的表面工作温度仍然在1200℃以上，甚至达到1400℃以上的高温。目前广泛使用的热障涂层材料为单一Y2O3稳定的ZrO2陶瓷材料，采用这种材料制备的热障涂层长期工作温度不能超过1200℃，超过1200℃涂层冷却到室温过程中将发生四方相向单斜相的转变，这一相变使涂层体积反常膨胀而导致热障涂层开裂剥落，造成热障涂层失效甚至发动机热端部件高温烧损，影响发动机工作安全。
发明内容
本发明的目的是提出一种工作温度超过1200℃也不发生四方相向单斜相的转变的一种含二元稀土氧化物的高相稳定复合陶瓷粉末的制备方法。本发明的技术解决方案是，Sc2O3-Y2O3-ZrO2高相稳定复合陶瓷粉末由前驱体粉末分散喷雾干燥、煅烧制得，其中，Sc2O3-Y2O3-ZrO2高相稳定复合陶瓷粉末成分的摩尔百分比：2～7mol％Sc2O3，0.3～5mol％Y2O3，其余为ZrO2；其制备方法是，(一)用ZrOCl2·8H2O、Zr(CH3COO)4、YCl3、Y(NO3)3、ScCl3、Sc(NO3)3中的含Zr、Y、Sc的各一种盐溶液混合得到混合盐溶液；(二)在混合盐溶液中加入分散剂，分散剂为普通工业用聚乙二醇PEG1500或PEG4000或PEG15000，分散剂加入量为混合盐溶液质量的5％；(三)将含分散剂的混合盐溶液加入到沉淀剂氨水中化学反应，反应过程中用氨水调节混合盐溶液使反应过程中保持pH值11～12，化学反应获得凝胶；(四)向上述反应获得的凝胶中加入共沸剂正丙醇或正丁醇蒸馏脱水，正丙醇或正丁醇的加入量为凝胶质量的2倍，凝胶脱水后分散喷雾干燥获得前驱体粉末；(五)将获得的前驱体粉末于700～900℃煅烧即获得Sc2O3-Y2O3-ZrO2高相稳定复合陶瓷粉末。
本发明具有的优点效果，本发明是一种含二元稀土氧化物的高相稳定复合陶瓷粉末的制备方法，该复合陶瓷粉末材料用于热障涂层制备，特别适于用作航空发动机、地面燃气轮机的热端部件的热障涂层材料。由这种新型含二元稀土氧化物的复合陶瓷粉末制备的热障涂层在高温下具有很高的相稳定性，有利于提高热障涂层的工作温度和耐久性。
利用本发明中的含二元稀土氧化物的高相稳定复合陶瓷粉末材料，采用等离子喷涂、或将复合陶瓷粉末制成棒材后采用电子束物理气相沉积工艺制备的热障涂层，测试结果表明该热障涂层在1500℃保温300小时后冷却到室温过程中没有发生相变，相依然稳定，与目前广泛应用的含一元稀土氧化物的Y2O3-ZrO2陶瓷热障涂层相比，长期使用温度从1200℃提高到1500℃，大大拓展了热障涂层的应用领域、提高了使用寿命，可满足先进航空发动机及地面燃气轮机热端部件高温隔热防护的需要。
具体实施方式
本发明中的含二元稀土氧化物的高相稳定复合陶瓷材料，基体为氧化锆(ZrO2)，二元稀土氧化物为氧化钪(Sc2O3)和氧化钇(Y2O3)。采用化学共沉淀—煅烧法制备复合涂层粉末材料，反应过程中使PH值始终保持11～12，在分子级水平上复合，保证Sc2O3-Y2O3-ZrO2复合陶瓷粉末中各组元分布的化学均匀性及充分固溶。
按化学配比要求，量取一定体积一定浓度的氧氯化锆(ZrOCl2·8H2O)或醋酸锆(Zr(CH3COO)4)、氯化钇(YCl3)或硝酸钇(Y(NO3)3)、氯化钪(ScCl3)或硝酸钪(Sc(NO3)3)盐溶液，混合后加入分散剂聚乙二醇PEG1500或PEG4000或PEG15000，分散剂加入量为溶液质量的5％，充分搅拌成均匀的透明溶液，将该透明溶液缓慢加入到pH值11～12的沉淀剂氨水中充分反应得到凝胶，特别注意反应过程中用氨水调节混合盐溶液使反应过程中保持pH值11～12。将得到的凝胶过滤，用去离子水和无水乙醇充分洗涤凝胶，去除Cl-及NO3 -。将共沸剂正丙醇或正丁醇加入到凝胶中，共沸剂加入量为凝胶质量的2倍，共沸蒸馏脱除水份，然后分散喷雾干燥得到前驱体粉末，将该前驱体粉末高温煅烧晶化，得到Sc2O3-Y2O3-ZrO2高相稳定复合陶瓷粉末。该粉末材料可用于等离子喷涂制备高相稳定热障涂层，或压制成棒材用电子束物理气相沉积工艺制备高相稳定热障涂层。该热障涂层可用于先进航空发动机及地面燃气轮机热端部件的高温隔热防护。
实施例一
以制备6.348mol％Sc2O3-0.552mol％Y2O3-ZrO2为例，摩尔比Sc2O3：Y2O3：ZrO2＝6.348：0.552：93.1，那么摩尔比Sc3+：Y3+：Zr4+＝11.5：1：84.33。
取少量蒸馏水，用氨水调节使pH＝11，得到氨水溶液备用。按摩尔比Sc3+：Y3+：Zr4+＝11.5：1：84.33量取一定体积一定浓度的ZrOCl2·8H2O溶液、YCl3溶液及ScCl3溶液，将这三种溶液混合后得到混合盐溶液，向混合盐溶液加入质量比例5％的普通工业用分散剂聚乙二醇PEG1500，充分混合成均匀的透明溶液，将此透明溶液缓慢加入到预先配置的pH＝11的氨水溶液中，反应过程中用氨水调节混合盐溶液使反应过程中保持pH值11，反应得到凝胶。将得到的凝胶过滤，用去离子水及无水乙醇洗涤凝胶，直到凝胶沉淀物中检测不到Cl-。然后在凝胶中加入一定量的共沸剂正丙醇，正丙醇的质量是凝胶质量的2倍，进行共沸蒸馏脱除凝胶水份。共沸蒸馏后的凝胶加入到蒸馏水中，凝胶与蒸馏水的质量比例1：40，并加入质量比例5％的分散剂聚乙二醇PEG15000，强力搅拌成浆料进行喷雾干燥得到前驱体粉末，将该前驱体粉末在马弗炉中900℃煅烧5小时，得到充分固溶晶化的Sc2O3-Y2O3-ZrO2高相稳定复合陶瓷粉末，该粉末材料可用于等离子喷涂制备高相稳定热障涂层。
Sc2O3-Y2O3-ZrO2复合陶瓷粉末等离子喷涂喷涂工艺：等离子喷涂参数为氩气流量40升/分，氢气流量10升/分，等离子喷涂弧电流600安培，喷涂距离60mm，得到的Sc2O3-Y2O3-ZrO2高相稳定热障涂层可满足先进航空发动机及地面燃气轮机热端部件高温隔热防护的需要。
该Sc2O3-Y2O3-ZrO2复合陶瓷粉末材料由四方相组成，该粉末及采用该粉末通过等离子喷涂工艺制备的热障涂层在1500℃保温300小时后冷却到室温过程中都不发生相变，相依然稳定，没有单斜相出现，即没有发生四方相向单斜相的转变，二元稀土氧化物Sc2O3、Y2O3对ZrO2起到了很好的高温相稳定作用。
实施例二
以制备2.258mol％Sc2O3-4.972mol％Y2O3-ZrO2为例，摩尔比Sc2O3：Y2O3：ZrO2＝2.258：4.972：92.77，那么摩尔比Sc3+：Y3+：Zr4+＝1：2.20：20.54。
取少量蒸馏水，用氨水调节使pH＝11，得到氨水溶液备用。按摩尔比Sc3+：Y3+：Zr4+＝1：2.20：20.54，量取一定体积一定浓度的ZrOCl2·8H2O溶液、YCl3溶液及ScCl3溶液，将这三种盐溶液混合后得到混合盐溶液，向混合盐溶液加入质量比例5％的普通工业用分散剂聚乙二醇PEG4000，充分混合成均匀的透明溶液，将此透明溶液缓慢加入到预先配置的pH＝11的氨水溶液中，反应过程中用氨水调节混合盐溶液使反应过程中保持pH值11，反应得到凝胶。将得到的凝胶过滤，用去离子水及无水乙醇洗涤凝胶，直到凝胶沉淀物中检测不到Cl-。然后在凝胶中加入一定量的共沸剂正丁醇，正丁醇的质量是凝胶质量的2倍，进行共沸蒸馏脱除凝胶水份。共沸蒸馏后的凝胶加入到蒸馏水中，凝胶与蒸馏水的质量比例1：40，并加入质量比例5％的分散剂聚乙二醇PEG15000，强力搅拌成浆料进行喷雾干燥得到前驱体粉末，将该前驱体粉末在马弗炉中800℃煅烧5小时，得到充分固溶晶化的Sc2O3-Y2O3-ZrO2高相稳定复合陶瓷粉末，该粉末材料可用于等离子喷涂制备高相稳定热障涂层。
该Sc2O3-Y2O3-ZrO复合陶瓷粉末等离子喷涂喷涂工艺：等离子喷涂参数为氩气流量40升/分，氢气流量10升/分，等离子喷涂弧电流600安培，喷涂距离60mm，得到的Sc2O3-Y2O3-ZrO2热障涂层可满足先进航空发动机及地面燃气轮机热端部件高温隔热防护的需要。
Sc2O3-Y2O3-ZrO2复合陶瓷粉末材料由四方相组成，该粉末及采用该粉末通过等离子喷涂工艺制备的热障涂层在1500℃保温300小时后冷却到室温过程中不发生相变，相依然稳定，没有单斜相出现，即没有发生四方相向单斜相的转变，二元稀土氧化物Sc2O3、Y2O3对ZrO2起到了很好的高温相稳定作用。
实施例三
以制备6.826mol％Sc2O3-0.324mol％Y2O3-ZrO2为例，摩尔比Sc2O3：Y2O3：ZrO2＝6.826：0.324：92.85，那么摩尔比Sc3+：Y3+：Zr4+＝21.07：1：143.29。
取少量蒸馏水，用氨水调节使pH＝12，得到氨水溶液备用。按摩尔比Sc3+：Y3+：Zr4+＝21.07：1：143.29量取一定体积一定浓度的Zr(CH3COO)4溶液、Y(NO3)3溶液、Sc(NO3)3溶液，将这三种溶液混合后得到混合盐溶液，向混合盐溶液加入质量比例5％的普通工业用分散剂聚乙二醇PEG15000，充分混合成均匀的透明溶液，将此透明溶液缓慢加入到预先配置的pH＝12的氨水溶液中，反应过程中用氨水调节混合盐溶液使反应过程中保持pH值12，反应得到凝胶。将得到的凝胶过滤，用去离子水及无水乙醇洗涤凝胶，直到凝胶沉淀物中检测不到NO3 -。然后在凝胶中加入一定量的共沸剂正丙醇，正丙醇的质量是凝胶质量的2倍，进行共沸蒸馏脱除凝胶水份。共沸蒸馏后的凝胶加入到蒸馏水中，凝胶与蒸馏水的质量比例1：40，并加入质量比例5％的分散剂聚乙二醇PEG15000，强力搅拌成浆料进行喷雾干燥得到前驱体粉末，将该前驱体粉末在马弗炉中700℃煅烧5小时，得到充分固溶晶化的Sc2O3-Y2O3-ZrO2复合陶瓷粉末，该粉末材料可用于等离子喷涂制备高相稳定热障涂层。
该Sc2O3-Y2O3-ZrO2复合陶瓷粉末等离子喷涂喷涂工艺：等离子喷涂参数为氩气流量40升/分，氢气流量10升/分，等离子喷涂弧电流600安培，喷涂距离60mm，得到的Sc2O3-Y2O3-ZrO2热障涂层可满足先进航空发动机及地面燃气轮机热端部件高温隔热防护的需要。
Sc2O3-Y2O3-ZrO2复合陶瓷粉末材料由四方相组成，该粉末及采用该粉末通过等离子喷涂工艺制备的热障涂层在1500℃保温300小时后冷却到室温过程中不发生相变，相依然稳定，没有单斜相出现，即没有发生四方相向单斜相的转变，二元稀土氧化物Sc2O3、Y2O3对ZrO2起到了很好的高温相稳定作用。
Claims (1)
1.一种含二元稀土氧化物的高相稳定复合陶瓷粉末的制备方法，其特征是，Sc2O3-Y2O3-ZrO2高相稳定复合陶瓷粉末由前驱体粉末分散喷雾干燥、煅烧制得，其中，Sc2O3-Y2O3-ZrO2高相稳定复合陶瓷粉末成分的摩尔百分比：2～7mol％Sc2O3，0.3～5mol％Y2O3，其余为ZrO2；其制备方法是，(一)用ZrOCl2·8H2O、Zr(CH3COO)4、YCl3、Y(NO3)3、ScCl3、Sc(NO3)3中的含Zr、Y、Sc的各一种盐溶液混合，得到混合盐溶液；(二)在混合盐溶液中加入分散剂，分散剂为普通工业用聚乙二醇PEG1500或PEG4000或PEG15000；(三)将含分散剂的混合盐溶液加入到沉淀剂氨水中化学反应，反应过程中用氨水调节混合盐溶液使反应过程中保持pH值11～12，化学反应获得凝胶；(四)向上述凝胶中加入共沸剂正丙醇或正丁醇蒸馏脱水，分散喷雾干燥获得前驱体粉末；(五)将获得的前驱体粉末于700～900℃煅烧即获得Sc2O3-Y2O3-ZrO2高相稳定复合陶瓷粉末。
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