CN101948995B - 一种陶瓷复合热障涂层材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种陶瓷复合热障涂层材料。一种陶瓷复合热障涂层材料的化学组成为(Sr1-xRx)ZrO3+δ，0.1≤x≤0.9，R为La，Nd，Sm，Eu，Gd，Dy中一种或一种以上的组合。其制备步骤如下：将SrCO3、ZrO2、R2O3三种粉末按(1-x)∶1∶0.5x，0.1≤x≤0.9摩尔比混合，R为La，Nd，Sm，Eu，Gd，Dy中一种或一种以上的组合，球磨1-72小时，在1200℃-1600℃加热2-24小时，依照上述条件需重复球磨加热一至三次。本发明具有热膨胀系数较大，热循环寿命长，涂层烧结速率低的优点。

Description

一种陶瓷复合热障涂层材料
技术领域
本发明涉及一种复合热障涂层材料及其制备方法，尤其是涉及一种陶瓷复合热障涂层材料及其制备方法。
背景技术
随着航空、航天及民用技术的发展，涡轮发动机热端部件的使用温度要求越来越高。以航空涡轮发动机为例，其发展趋势是向高流量比、高推重比方向发展，涡轮发动机进口温度进一步提高，从而可以大大提高发动机效率。推重比10级航空发动机的设计出口温度已达到1577℃以上，这是目前任何高温合金都难以承受的工作温度。虽然经过多年的研究，用于涡轮发动机热端部件的高温合金的使用温度已提高至1100℃左右(单晶高温合金)，但仍难满足现代航空发动机的设计要求。采用气膜冷却技术可以降低高温部件的表面温度从而提高其使用温度，但采用气膜冷却技术在降低高温部件温度的同时，不可避免地损失了很大一部分能量，从而降低涡轮发动机的效率。在这种情况下，另一种降低涡轮发动机热端部件工作温度的可行技术-热障涂层技术得到了广泛的应用。
目前普遍使用的陶瓷热障涂层材料是6～8wt.％Y2O3部分稳定的ZrO2(YSZ)。YSZ具有较高的热膨胀系数(～11×10-6K-1)，较低的热导率(2.0～2.1Wm-1K-1)及良好的抗热冲击性。但是YSZ的长期使用温度在1200℃左右，随着温度的进一步升高，涂层出现严重的结构不稳定。一方面，随着温度升高YSZ涂层发生烧结，从而导致涂层热导率及弹性模量升高，使得涂层的应变容限下降；另一方面，在热循环过程中，YSZ涂层由亚稳四方相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，导致涂层中形成裂纹，从而破坏了涂层的结构完整性。
考虑到以上因素，人们试图找到新的材料来取代YSZ，从而应用到更高的使用温度条件下。总的来说，新材料应该具有与YSZ相当或者较低的热导率、相当或者更高的热膨胀系数以及在更高温度下具有高相稳定性。美国专利6,231,991中报道了一种具有烧绿石结构的材料，特别是La2Zr2O7(Lanthanum Zirconate)作为热障涂层材料，它具有独特的性质如较低的热导率，在熔化之前也没有相变。但La2Zr2O7的热膨胀系数较YSZ小，同基体合金的热膨胀系数相差更大，因高温热膨胀不匹配所导致的涂层内应力将更加严重，涂层热循环寿命短。
发明内容
本发明的目的在于提供一种陶瓷热障涂层复合材料，该复合材料在室温到1450℃温度范围内具有很好的相稳定性，并且在1450℃长期热处理后具有很高的相稳定性；在同等温度条件下，该复合材料的热导率比SrZrO3的热导率(～2.1Wm-1K-1，1000℃)降低10％以上。
本发明的目的由如下技术方案实施：一种陶瓷复合热障涂层材料，所述化合物的化学组成为(Sr1-xRx)ZrO3+δ，0.1≤x≤0.9，R为La，Nd，Sm，Eu，Gd，Dy中一种或一种以上的组合。
所述R为La，Nd，Sm，Eu，Gd，Dy中一种或任意两种的组合。
所述化合物有
(Sr0.9La0.1)ZrO3.05或(Sr0.6Sm0.4)ZrO3.2或(Sr0.4Eu0.6)ZrO3.3或(Sr0.4Gd0.6)ZrO3.3或(Sr0.1Dy0.9)ZrO3.45或(Sr0.6Nd0.4)ZrO3.2或(Sr0.7Gd0.3)ZrO3.15或(Sr0.5Gd0.5)ZrO3.25或(Sr0.3Gd0.7)ZrO3.35或(Sr0.7La0.3)ZrO3.15或(Sr0.5La0.5)ZrO3.25或(Sr0.3La0.7)ZrO3.35或(Sr0.7Nd0.3)ZrO3.15或(Sr0.5Nd0.5)ZrO3.25或(Sr0.3Nd0.7)ZrO3.35或(Sr0.7Sm0.3)ZrO3.15或(Sr0.5Sm0.5)ZrO3.25或(Sr0.3Sm0.7)ZrO3.35或(Sr0.7Eu0.3)ZrO3.15或(Sr0.5Eu0.5)ZrO3.25或(Sr0.3Eu0.7)ZrO3.35或(Sr0.7Dy0.3)ZrO3.15或(Sr0.5Dy0.5)ZrO3.25或(Sr0.3Dy0.7)ZrO3.35
所述化合物有：
(Sr0.9(LaNd)0.1)ZrO3.05或(Sr0.8(LaSm)0.2)ZrO3.1或(Sr0.7(LaEu)0.3)ZrO3.15或(Sr0.6(LaGd)0.4)ZrO3.2或(Sr0.5(LaDy)0.5)ZrO3.25或(Sr0.4(NdSm)0.6)ZrO3.3或(Sr0.3(NdEu)0.7)ZrO3.35或(Sr0.2(NdGd)0.8)ZrO3.4或(Sr0.1(NdDy)0.9)ZrO3.45或(Sr0.8(SmEu)0.2)ZrO3.1或(Sr0.7(SmGd)0.3)ZrO3.15或(Sr0.6(SmDy)0.4)ZrO3.2或(Sr0.5(EuGd)0.5)ZrO3.25或(Sr0.4(EuDy)0.6)ZrO3.3或(Sr0.3(GdDy)0.7)ZrO3.35。
本发明的陶瓷复合热障涂层材料的制备方法，其制备步骤如下：
将SrCO3、ZrO2、R2O3三种粉末按(1-x)∶1∶0.5x，0.1≤x≤0.9摩尔比混合，R为La，Nd，Sm，Eu，Gd，Dy中一种或一种以上的组合，球磨1-72小时，在1200℃-1600℃加热2-24小时，依照上述条件需重复球磨加热一至三次。
本发明的优点在于：我们通过改变各种原始氧化物及碳酸盐的比例获得一种陶瓷热障涂层复合材料，该复合材料在室温到1450℃温度范围内具有很好的相稳定性，并且在1450℃长期热处理后具有很高的相稳定性；在同等温度条件下，该复合材料的热导率比SrZrO3的热导率降低10％以上。另外，本发明所用原材料丰富；材料合成方法简单，采用原位合成法；涂层制备方法简单，设备易得。
附图说明
图1为实施例1中材料(Sr0.7Gd0.3)ZrO3.15的XRD图谱。
图2为实施例1中材料(Sr0.7Gd0.3)ZrO3.15块材的SEM显微形貌图。
图3为复合热障涂层材料制备成涂层的热障涂层体系示意图。
陶瓷层1、MCrAlY(M为Ni、Co和Fe中一种或两种以上组合)金属粘结层2、镍基高温合金基体3
具体实施方式
实施例1：制备陶瓷复合热障涂层材料粉末样品(Sr0.7Gd0.3)ZrO3.15：将SrCO3、ZrO2、Gd2O3三种粉末按0.7∶1∶0.15摩尔比混合，球磨1-72小时，在1200℃-1600℃加热2-24小时，依照上述条件需重复球磨加热一至三次，制得陶瓷复合热障涂层材料粉末样品(Sr0.7Gd0.3)ZrO3.15，将得到的粉末样品经喷雾造粒制成高流动性粉末。用(Sr0.7Gd0.3)ZrO3.15制备热障涂层：在镍基高温合金基体3表面通过电子束物理气相沉积技术沉积一层大约130μm厚NiCrAlY金属粘结层2，然后在NiCrAlY金属粘结层2表面应用等离子喷涂技术沉积一层厚约300μm的(Sr0.7Gd0.3)ZrO3.15陶瓷层1，得到陶瓷复合热障涂层体系。图1中显示合成的粉末为SrZrO3与Gd2Zr2O7复合而成的复合热障涂层材料粉末。图2中显示(Sr0.7Gd0.3)ZrO3.15块材中包含深颜色和浅颜色的两相，通过能谱分析可知其中颜色较深的为SrZrO3相，浅颜色的为Gd2Zr2O7相。
实施例2：用实施例1方法制备(Sr0.5Gd0.5)ZrO3.25陶瓷复合热障涂层材料粉末样品。用(Sr0.5Gd0.5)ZrO3.25制备热障涂层：在镍基高温合金表面通过电子束物理气相沉积技术沉积一层大约150μm厚FeCrAlY金属粘结层，然后在粘结层表面应用电子束物理气相沉积技术沉积一层厚约200μm的(Sr0.5Gd0.5)ZrO3.25陶瓷层。
实施例3：用实施例1方法制备(Sr0.3Gd0.7)ZrO3.35陶瓷复合热障涂层材料粉末样品。用(Sr0.3Gd0.7)ZrO3.35制备热障涂层：在镍基高温合金表面通过等离子喷涂技术沉积一层大约200μm厚CoCrAlY金属粘结层，然后在粘结层表面应用等离子喷涂技术沉积一层厚约400μm的(Sr0.3Gd0.7)ZrO3.35陶瓷层。
实施例4：用实施例1方法制备(Sr0.7La0.3)ZrO3.15陶瓷复合热障涂层材料粉末样品。用(Sr0.7La0.3)ZrO3.15制备热障涂层：在镍基高温合金表面通过电子束物理气相沉积技术沉积一层大约150μm厚NiCoCrAlY金属粘结层，然后在粘结层表面应用电子束物理气相沉积技术沉积一层厚约250μm的(Sr0.7La0.3)ZrO3.15陶瓷层。
实施例5：用实施例1方法制备(Sr0.5La0.5)ZrO3.25陶瓷复合热障涂层材料粉末样品。用(Sr0.5La0.5)ZrO3.25制备热障涂层：在镍基高温合金表面通过电子束物理气相沉积技术沉积一层大约150μm厚FeCoCrAlY金属粘结层，然后在粘结层表面应用等离子喷涂技术沉积一层厚约400μm的(Sr0.5La0.5)ZrO3.25陶瓷层。
实施例6：用实施例1方法制备(Sr0.3La0.7)ZrO3.35陶瓷复合热障涂层材料粉末样品。用(Sr0.3La0.7)ZrO3.35制备热障涂层：在镍基高温合金表面通过等离子喷涂技术沉积一层大约200μm厚CoCrAlY金属粘结层，然后在粘结层表面应用等离子喷涂技术沉积一层厚约300μm的(Sr0.3La0.7)ZrO3.35陶瓷层。
实施例7：用实施例1方法制备(Sr0.7Nd0.3)ZrO3.15陶瓷复合热障涂层材料粉末样品。用(Sr0.7Nd0.3)ZrO3.15制备热障涂层：在镍基高温合金表面通过电子束物理气相沉积技术沉积一层大约100μm厚NiCrAlY金属粘结层，然后在粘结层表面应用等离子喷涂技术沉积一层厚约500μm的(Sr0.7Nd0.3)ZrO3.15陶瓷层。
实施例8：用实施例1方法制备(Sr0.5Nd0.5)ZrO3.25陶瓷复合热障涂层材料粉末样品。用(Sr0.5Nd0.5)ZrO3.25制备热障涂层：在镍基高温合金表面通过等离子喷涂技术沉积一层大约150μm厚FeCrAlY金属粘结层，然后在粘结层表面应用等离子喷涂技术沉积一层厚约450μm的(Sr0.5Nd0.5)ZrO3.25陶瓷层。
实施例9：用实施例1方法制备(Sr0.3Nd0.7)ZrO3.35陶瓷复合热障涂层材料粉末样品。用(Sr0.3Nd0.7)ZrO3.35制备热障涂层：在镍基高温合金表面通过电子束物理气相沉积技术沉积一层大约170μm厚CoCrAlY金属粘结层，然后在粘结层表面应用电子束物理气相沉积技术沉积一层厚约350μm的(Sr0.3Nd0.7)ZrO3.35陶瓷层。
实施例10：用实施例1方法制备(Sr0.7Sm0.3)ZrO3.15陶瓷复合热障涂层材料粉末样品。用(Sr0.7Sm0.3)ZrO3.15制备热障涂层：在镍基高温合金表面通过等离子喷涂技术沉积一层大约120μm厚NiCoCrAlY金属粘结层，然后在粘结层表面应用等离子喷涂技术沉积一层厚约550μm的(Sr0.7Sm0.3)ZrO3.15陶瓷层。
实施例11：用实施例1方法制备(Sr0.5Sm0.5)ZrO3.25陶瓷复合热障涂层材料粉末样品。用(Sr0.5Sm0.5)ZrO3.25制备热障涂层：在镍基高温合金表面通过电子束物理气相沉积技术沉积一层大约130μm厚FeCoCrAlY金属粘结层，然后在粘结层表面应用等离子喷涂技术沉积一层厚约400μm的(Sr0.5Sm0.5)ZrO3.25陶瓷层。
实施例12：用实施例1方法制备(Sr0.3Sm0.7)ZrO3.35陶瓷复合热障涂层材料粉末样品。用(Sr0.3Sm0.7)ZrO3.35制备热障涂层：在镍基高温合金表面通过等离子喷涂技术沉积一层大约160μm厚CoCrAlY金属粘结层，然后在粘结层表面应用等离子喷涂技术沉积一层厚约250μm的(Sr0.3Sm0.7)ZrO3.35陶瓷层。
实施例13：用实施例1方法制备(Sr0.7Eu0.3)ZrO3.15陶瓷复合热障涂层材料粉末样品。用(Sr0.7Eu0.3)ZrO3.15制备热障涂层：在镍基高温合金表面通过电子束物理气相沉积技术沉积一层大约150μm厚NiCrAlY金属粘结层，然后在粘结层表面应用电子束物理气相沉积技术沉积一层厚约300μm的(Sr0.7Eu0.3)ZrO3.15陶瓷层。
实施例14：用实施例1方法制备(Sr0.5Eu0.5)ZrO3.25陶瓷复合热障涂层材料粉末样品。用(Sr0.5Eu0.5)ZrO3.25制备热障涂层：在镍基高温合金表面通过电子束物理气相沉积技术沉积一层大约120μm厚FeCrAlY金属粘结层，然后在粘结层表面应用等离子喷涂技术沉积一层厚约350μm的(Sr0.5Eu0.5)ZrO3.25陶瓷层。
实施例15：用实施例1方法制备(Sr0.3Eu0.7)ZrO3.35陶瓷复合热障涂层材料粉末样品。用(Sr0.3Eu0.7)ZrO3.35制备热障涂层：在镍基高温合金表面通过等离子喷涂技术沉积一层大约100μm厚CoCrAlY金属粘结层，然后在粘结层表面应用等离子喷涂技术沉积一层厚约450μm的(Sr0.3Eu0.7)ZrO3.35陶瓷层。
实施例16：用实施例1方法制备(Sr0.7Dy0.3)ZrO3.15陶瓷复合热障涂层材料粉末样品。用(Sr0.7Dy0.3)ZrO3.15制备热障涂层：在镍基高温合金表面通过电子束物理气相沉积技术沉积一层大约100μm厚NiCoCrAlY金属粘结层，然后在粘结层表面应用等离子喷涂技术沉积一层厚约350μm的(Sr0.7Dy0.3)ZrO3.15陶瓷层。
实施例17：用实施例1方法制备(Sr0.5Dy0.5)ZrO3.25陶瓷复合热障涂层材料粉末样品。用(Sr0.5Dy0.5)ZrO3.25制备热障涂层：在镍基高温合金表面通过等离子喷涂技术沉积一层大约150μm厚FeCoCrAlY金属粘结层，然后在粘结层表面应用等离子喷涂技术沉积一层厚约450μm的(Sr0.5Dy0.5)ZrO3.25陶瓷层。
实施例18：用实施例1方法制备(Sr0.3Dy0.7)ZrO3.35陶瓷复合热障涂层材料粉末样品。用(Sr0.3Dy0.7)ZrO3.35制备热障涂层：在镍基高温合金表面通过电子束物理气相沉积技术沉积一层大约150μm厚CoCrAlY金属粘结层，然后在粘结层表面应用等离子喷涂技术沉积一层厚约350μm的(Sr0.3Dy0.7)ZrO3.35陶瓷层。
实施例19：用实施例1方法制备陶瓷复合热障涂层材料有：(Sr0.9La0.1)ZrO3.05或(Sr0.6Sm0.4)ZrO3.2或(Sr0.4Eu0.6)ZrO3.3或(Sr0.4Gd0.6)ZrO3.3或(Sr0.1Dy0.9)ZrO3.45或(Sr0.4Nd0.6)ZrO3.3。使用等离子喷涂或电子束物理气相沉积技术在高温合金基体表面制备一层厚度为80-200μm厚的金属粘结层，然后使用上述技术在金属粘结层表面再沉积一层200-800μm的所述陶瓷复合热障涂层材料。
实施例20：用实施例1方法制备陶瓷复合热障涂层材料有：(Sr0.9(LaNd)0.1)ZrO3.05或(Sr0.8(La Sm)0.2)ZrO3.1或(Sr0.7(LaEu)0.3)ZrO3.15或(Sr0.6(LaGd)0.4)ZrO3.2或(Sr0.5(LaDy)0.5)ZrO3.25或(Sr0.4(NdSm)0.6)ZrO3.3或(Sr0.3(NdEu)0.7)ZrO3.35或(Sr0.2(NdGd)0.8)ZrO3.4或(Sr0.1(NdDy)0.9)ZrO3.45或(Sr0.8(Sm Eu)0.2)ZrO3.1或(Sr0.7(Sm Gd)0.3)ZrO3.15或(Sr0.6(SmDy)0.4)ZrO3.2或(Sr0.5(Eu Gd)0.5)ZrO3.25或(Sr0.4(EuDy)0.6)ZrO3.3或(Sr0.3(GdDy)0.7)ZrO3.35。使用等离子喷涂或电子束物理气相沉积技术在高温合金基体表面制备一层厚度为80-200μm厚的金属粘结层，然后使用上述技术在金属粘结层表面再沉积一层200-800μm的所述陶瓷复合热障涂层材料。
实施例21：根据实施例1-20所制得的陶瓷复合热障涂层材料，所述的陶瓷复合热障涂层材料在室温到1450℃温度范围内具有很好的相稳定性，并且在1450℃长期热处理后具有很高的相稳定性；在1000℃下，所述材料的热导率比SrZrO3的热导率均降低10％以上。

Claims (4)

1.一种陶瓷复合热障涂层材料，其特征在于，化合物的化学组成为(Sr1-xRx)ZrO3+δ，0.1≤x≤0.9，R为La，Nd，Sm，Eu，Gd，Dy中一种或一种以上的组合，其中
Figure FSB00000874794000011
2.根据权利要求1所述的一种陶瓷复合热障涂层材料，其特征在于，所述R为La，Nd，Sm，Eu，Gd，Dy中一种或任意两种的组合。
3.根据权利要求1所述的一种陶瓷复合热障涂层材料，其特征在于，所述化合物有(Sr0.9La0.1)ZrO3.05或(Sr0.6Sm0.4)ZrO3.2或(Sr0.4Eu0.6)ZrO3.3或(Sr0.4Gd0.6)ZrO3.3或(Sr0.1Dy0.9)ZrO3.45或(Sr0.6Nd0.4)ZrO3.2或(Sr0.7Gd0.3)ZrO3.15或(Sr0.5Gd0.5)ZrO3.25或(Sr0.3Gd0.7)ZrO3.35或(Sr0.7La0.3)ZrO3.15或(Sr0.5La0.5)ZrO3.25或(Sr0.3La0.7)ZrO3.35或(Sr0.7Nd0.3)ZrO3.15或(Sr0.5Nd0.5)ZrO3.25或(Sr0.3Nd0.7)ZrO3.35或(Sr0.7Sm0.3)ZrO3.15或(Sr0.5Sm0.5)ZrO3.25或(Sr0.3Sm0.7)ZrO3.35或(Sr0.7Eu0.3)ZrO3.15或(Sr0.5Eu0.5)ZrO3.25或(Sr0.3Eu0.7)ZrO3.35或(Sr0.7Dy0.3)ZrO3.15或(Sr0.5Dy0.5)ZrO3.25或(Sr0.3Dy0.7)ZrO3.35。
4.根据权利要求1所述的一种陶瓷复合热障涂层材料，其特征在于，所述化合物有(Sr0.9(LaNd)0.1)ZrO3.05或(Sr0.8(LaSm)0.2)ZrO3.1或(Sr0.7(LaEu)0.3)ZrO3.15或(Sr0.6(LaGd)0.4)ZrO3.2或(Sr0.5(LaDy)0.5)ZrO3.25或(Sr0.4(NdSm)0.6)ZrO3.3或(Sr0.3(NdEu)0.7)ZrO3.35或(Sr0.2(NdGd)0.8)ZrO3.4或(Sr0.1(NdDy)0.9)ZrO3.45或(Sr0.8(SmEu)0.2)ZrO3.1或(Sr0.7(SmGd)0.3)ZrO3.15或(Sr0.6(SmDy)0.4)ZrO3.2或(Sr0.5(EuGd)0.5)ZrO3.25或(Sr0.4(EuDy)0.6)ZrO3.3或(Sr0.3(GdDy)0.7)ZrO3.35。
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La1-x-yBaxREyMnO3复合氧化物的制备及其对甲烷燃烧的催化;白雪,刘源,王晓燕,张通,于文国;<<催化学报>>;20040731;第25卷(第7期);577-580 *
白雪,刘源,王晓燕,张通,于文国.La1-x-yBaxREyMnO3复合氧化物的制备及其对甲烷燃烧的催化.<<催化学报>>.2004,第25卷(第7期),577-580.

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