CN103145421A - 钆锆双位掺杂Sm2Ce2O7热障涂层陶瓷材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钆锆双位掺杂Sm2Ce2O7热障涂层陶瓷材料，所述钆锆双位掺杂Sm2Ce2O7热障涂层陶瓷材料的化学式为(Sm1-xGdx)2(CeyZr1-y)2O7，其中0<x<0.5,0<y<0.5。本发明Sm1-xGdx)2(CeyZr1-y)2O7系列热障涂层用陶瓷材料，制备工艺简单，成本低，其晶体结构为缺陷性萤石结构，与7-8%氧化钇部分稳定的氧化锆相比，本发明的材料在高温时没有相变，且具有更低热导率和更高的热膨胀系数。在高温下（800-1000℃），这两类材料的热导率约为1.1-1.7W/m.K,其热膨胀系（1000℃）数约为11.2-13.6×10-6/K，完全有潜力用作新型热障涂层表面层陶瓷材料。
Description
技术领域
本发明主要采用钆锆双位对Sm2Ce2O7进行A位和B位同时掺杂的热障涂层用陶瓷材料，用于A位掺杂的三价稀土元素是Gd，其掺杂量在0-0.5mol之间,B位是ZrO2，其掺杂量也在0-0.5mol之间。
技术背景
在先进航空涡轮发动机中，为保护高温下工作的发动机叶片、燃烧室等关键金属部件并提高燃油经济性，需要在这些关键金属部件上面制备陶瓷涂层，这层陶瓷涂层就称为热障涂层。典型的热障涂层主要包括三部分，从外向里依次为表面陶瓷层、金属粘结层和金属基体。其中表面陶瓷层主要起隔热作用，金属粘结层主要功能是缓解表面陶瓷层与金属基体因热膨胀不匹配而产生的热应力，同时还可以保护金属基体不被氧化。目前，热障涂层的制备方法主要有等离子喷涂法和电子束物理气相沉积技术，无论哪一种制备方法，热障涂层要想更好的发挥其隔热作用，必须牢固的附着在金属基体之上。在已有的热障涂层中，由于氧化钇部分稳定氧化锆（Y2O3 stabilized zirconia,简称YSZ）陶瓷具有较低的热导率（平均约为2.3W/m.K），较高的热膨胀系数(9×10-6/℃)及良好的高温相稳定性能（<1200℃），而成为现役应用最广的热障涂层。
然而，随着航空发动机向高流量比、高推重比、高涡轮进口温度方向发展，其燃烧室关键热端部件的工作温度将超过1500℃。在这样的高温下，现役的YSZ热障涂层，由于其表层陶瓷材料YSZ在高温下会发生相转变，且烧结收缩严重等一系列问题，不仅使涂层的隔热性能下降，而且涂层的工作寿命也急剧降低，该类涂层已难于满足航空发动机技术发展的需要。为此，必须设法克服现役YSZ热障涂层的这一缺陷。就此问题而言，目前公认的有三种途径：(1)采用叶片冷却技术，如巧妙设计空心叶片的几何形状或叶片的冷气膜设计等；(2)采用真空熔炼和精密铸造技术研制新型的高温合金，如定向凝固和单晶叶片；（3）开发新型的热障涂层陶瓷材料。就(1)而言，随着叶片设计和制造技术的改进，人们得到的效益增长速率正在下降，目前要想通过单一的冷却结构设计使发动机叶片工作温度再提高几百摄氏度极端困难；而对于高温合金材料而言，既要具有高强度以满足设计许用应力的要求，又要在长期的运转中具备较高的化学稳定性(即耐高温氧化、抗腐蚀性能)，这两方面的要求很难同时达到。最好的途径是在采用先进冷却技术和开发高温合金的前提下，开发新型的热障涂层陶瓷材料以替代YSZ陶瓷。
新型的热障涂层用陶瓷材料需满足以下几点主要要求：（1）较低的热导率（<2.0W/m.K）；（2）较高的热膨胀系数（>9×10-6/℃）;(3)良好的高温想稳定性能（>1200℃）。目前，已经报道的新型热障涂层陶瓷材料，主要有三类，一类稀土掺杂的ZrO2基陶瓷材料，第二类是化学式为Ln2Zr2O7（Ln代表三价稀土元素）的稀土锆酸盐；第三类是近3-5年中报道的其它新型陶瓷，主要有Nd2Ce2O7, La2Ce2O7,稀土改性的 Ba1-xLnxNd2(Ti1-yLny)3O10类陶瓷，钡镧钛Ba1-xLnxSm2 (Ti1-yLny)3O10，钡钕钛Ba1-xLnxNd2(Ti1-yLny)3O10，铬酸镧La2.0～3.0Cr2.0～2.5O6.0～7.5，以及InFeZnO4等，但国内有关钆锆双位掺杂的Sm2Ce2O7陶瓷材料的研究尚属空白。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种具有较高热膨胀系数和较低热导率的稀土改性Sm2Ce2O7热障涂层陶瓷材料及其制备方法。
本发明的技术方案是：钆锆双位掺杂Sm2Ce2O7热障涂层陶瓷材料，所述钆锆双位掺杂Sm2Ce2O7热障涂层陶瓷材料的化学式为(Sm1-xGdx)2(CeyZr1-y)2O7，其中0<x<0.5, 0<y<0.5。
所述的钆锆双位掺杂Sm2Ce2O7热障涂层陶瓷材料的制备方法，它的步骤如下：（1）将1-x摩尔Sm2O3，x摩尔Gd2O3，y/2摩尔CeO2及(1-y)/2ZrO2摩尔放入聚四氟乙烯制成的球磨罐中，以乙醇或去离子水为球磨介质，同时加入玛瑙球，所述乙醇或去离子水的体积为球磨罐体积的60-80%，玛瑙球与粉体质量比为1:1-2，粉体由Sm2O3、Gd2O3、CeO2、ZrO2组成，在行星式球磨机上，湿混6-10小时；
（2）湿混后，将玛瑙球从球磨罐子中取出，用旋转蒸发器将混料中的乙醇或去离子水蒸发，并将蒸发后的粉体在烘箱中于110-120℃干燥16-24小时；
（3）将干燥15-18小时后的粉末人工过筛，所述筛的目数为200-400，然后将过筛后的粉体在模具中压制成预制坯体，放入刚玉坩埚中，在1500-1600℃下常压烧结10小时，即可得到钆锆双位掺杂Sm2Ce2O7热障涂层陶瓷材料。
3. 根据权利要求1或2所述的钆锆双位掺杂Sm2Ce2O7热障涂层陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述Sm2O3、Gd2O3、ZrO2和CeO2的纯度质量分数>99.9%。
本发明研制的Sm1-xGdx)2(CeyZr1-y)2O7系列热障涂层用陶瓷材料，制备工艺简单，成本低，其晶体结构为缺陷性萤石结构，与7-8%氧化钇部分稳定的氧化锆相比，本发明的材料在高温时没有相变，且具有更低热导率和更高的热膨胀系数。在高温下（800-1000℃），这两类材料的热导率约为1.1-1.7W/m.K,,其热膨胀系（1000℃）数约为11.2-13.6×10-6/K，完全有潜力用作新型热障涂层表面层陶瓷材料。
附图说明
图1为(Sm1-xGdx)2(CeyZr1-y)2O7陶瓷材料的热导率；
图2为(Sm1-xGdx)2(CeyZr1-y)2O7固溶体的热膨胀系数；
具体实施方式
实施例1
钆锆双位掺杂Sm2Ce2O7热障涂层陶瓷材料，钆锆双位掺杂Sm2Ce2O7热障涂层陶瓷材料的化学式为(Sm0.9Gd0.1)2(Ce0.1Zr0.9)2O7。
钆锆双位掺杂Sm2Ce2O7热障涂层陶瓷材料的制备方法，其特征在于它的步骤如下：（1）将0.9摩尔Sm2O3，0.1摩尔Gd2O3，0.05摩尔CeO2及0.45摩尔ZrO2 放入聚四氟乙烯制成的球磨罐中，以乙醇为球磨介质，同时加入玛瑙球，所述乙醇的体积为球磨罐体积的60%，玛瑙球与粉体质量比为1：1，粉体由Sm2O3、Gd2O3、CeO2、ZrO2组成，在行星式球磨机上，湿混6小时；
（2）湿混后，将玛瑙球从球磨罐子中取出，用旋转蒸发器将混料中的乙醇蒸发，并将蒸发后的粉体在烘箱中于110℃干燥16小时；
（3）将干燥15小时后的粉末人工过筛，所述筛的目数为200，然后将过筛后的粉体在模具中压制成预制坯体，放入刚玉坩埚中，在1500℃下常压烧结10小时，即可得到钆锆双位掺杂Sm2Ce2O7热障涂层陶瓷材料。
实施例2
钆锆双位掺杂Sm2Ce2O7热障涂层陶瓷材料，钆锆双位掺杂Sm2Ce2O7热障涂层陶瓷材料的化学式为(Sm0.8Gd0.2)2(Ce0.2Zr0.8)2O7。
钆锆双位掺杂Sm2Ce2O7热障涂层陶瓷材料的制备方法，其特征在于它的步骤如下：（1）将0.8摩尔Sm2O3，0.2摩尔Gd2O3，0.2摩尔CeO2及0.4摩尔ZrO2放入聚四氟乙烯制成的球磨罐中，以去离子水为球磨介质，同时加入玛瑙球，所述去离子水的体积为球磨罐体积的80%，玛瑙球与粉体质量比为1:2，粉体由Sm2O3、Gd2O3、CeO2、ZrO2组成，在行星式球磨机上，湿混10小时；
（2）湿混后，将玛瑙球从球磨罐子中取出，用旋转蒸发器将混料中的去离子水蒸发，并将蒸发后的粉体在烘箱中于120℃干燥24小时；
（3）将干燥18小时后的粉末人工过筛，所述筛的目数为400，然后将过筛后的粉体在模具中压制成预制坯体，放入刚玉坩埚中，在1600℃下常压烧结10小时，即可得到钆锆双位掺杂Sm2Ce2O7热障涂层陶瓷材料。
实施例3
钆锆双位掺杂Sm2Ce2O7热障涂层陶瓷材料，钆锆双位掺杂Sm2Ce2O7热障涂层陶瓷材料的化学式为(Sm0.6Gd0.4)2(Ce0.4Zr0.6)2O7。
钆锆双位掺杂Sm2Ce2O7热障涂层陶瓷材料的制备方法，其特征在于它的步骤如下：（1）将0.6摩尔Sm2O3，0.4摩尔Gd2O3，0.2摩尔CeO2及0.3摩尔ZrO2放入聚四氟乙烯制成的球磨罐中，以乙醇为球磨介质，同时加入玛瑙球，所述乙醇的体积为球磨罐体积的70%，玛瑙球与粉体质量比为1:1.5，粉体由Sm2O3、Gd2O3、CeO2、ZrO2组成，在行星式球磨机上，湿混8小时；
（2）湿混后，将玛瑙球从球磨罐子中取出，用旋转蒸发器将混料中的乙醇蒸发，并将蒸发后的粉体在烘箱中于115℃干燥18小时；
（3）将干燥16小时后的粉末人工过筛，所述筛的目数为300，然后将过筛后的粉体在模具中压制成预制坯体，放入刚玉坩埚中，在1550℃下常压烧结10小时，即可得到钆锆双位掺杂Sm2Ce2O7热障涂层陶瓷材料。
实施例4
钆锆双位掺杂Sm2Ce2O7热障涂层陶瓷材料，钆锆双位掺杂Sm2Ce2O7热障涂层陶瓷材料的化学式为(Sm0.7Gd0.3)2(Ce0.2Zr0.8)2O7。
钆锆双位掺杂Sm2Ce2O7热障涂层陶瓷材料的制备方法，其特征在于它的步骤如下：（1）将0.7摩尔Sm2O3，0.3摩尔Gd2O3，0.1摩尔CeO2及0.4摩尔ZrO2 放入聚四氟乙烯制成的球磨罐中，以去离子水为球磨介质，同时加入玛瑙球，所述去离子水的体积为球磨罐体积的80%，玛瑙球与粉体质量比为1.5：2.5，粉体由Sm2O3、Gd2O3、CeO2、ZrO2组成，在行星式球磨机上，湿混9小时；
（2）湿混后，将玛瑙球从球磨罐子中取出，用旋转蒸发器将混料中的去离子水蒸发，并将蒸发后的粉体在烘箱中于120℃干燥22小时；
（3）将干燥16小时后的粉末人工过筛，所述筛的目数为360，然后将过筛后的粉体在模具中压制成预制坯体，放入刚玉坩埚中，在1600℃下常压烧结10小时，即可得到钆锆双位掺杂Sm2Ce2O7热障涂层陶瓷材料。
实施例5
钆锆双位掺杂Sm2Ce2O7热障涂层陶瓷材料，钆锆双位掺杂Sm2Ce2O7热障涂层陶瓷材料的化学式为(Sm0.9Gd0.1)2(Ce0.4Zr0.6)2O7。
钆锆双位掺杂Sm2Ce2O7热障涂层陶瓷材料的制备方法，其特征在于它的步骤如下：（1）将0.9摩尔Sm2O3，0.1摩尔Gd2O3，0.2摩尔CeO2及0.3摩尔ZrO2 放入聚四氟乙烯制成的球磨罐中，以去离子水为球磨介质，同时加入玛瑙球，所述去离子水的体积为球磨罐体积的70%，玛瑙球与粉体质量比为1.5：2.5，粉体由Sm2O3、Gd2O3、CeO2、ZrO2组成，在行星式球磨机上，湿混8小时；
（2）湿混后，将玛瑙球从球磨罐子中取出，用旋转蒸发器将混料中的去离子水蒸发，并将蒸发后的粉体在烘箱中于115℃干燥20小时；
（3）将干燥16小时后的粉末人工过筛，所述筛的目数为200，然后将过筛后的粉体在模具中压制成预制坯体，放入刚玉坩埚中，在1600℃下常压烧结10小时，即可得到钆锆双位掺杂Sm2Ce2O7热障涂层陶瓷材料。
Claims (3)
1. 钆锆双位掺杂Sm2Ce2O7热障涂层陶瓷材料，其特征在于：所述钆锆双位掺杂Sm2Ce2O7热障涂层陶瓷材料的化学式为(Sm1-xGdx)2(CeyZr1-y)2O7，其中0<x<0.5, 0<y<0.5。
2. 如权利要求1所述的钆锆双位掺杂Sm2Ce2O7热障涂层陶瓷材料的制备方法，其特征在于它的步骤如下：（1）将1-x摩尔Sm2O3，x摩尔Gd2O3，y/2摩尔CeO2及(1-y)/2ZrO2摩尔放入聚四氟乙烯制成的球磨罐中，以乙醇或去离子水为球磨介质，同时加入玛瑙球，所述乙醇或去离子水的体积为球磨罐体积的60-80%，玛瑙球与粉体质量比为1:1-2，粉体由Sm2O3、Gd2O3、CeO2、ZrO2组成，在行星式球磨机上，湿混6-10小时；
（2）湿混后，将玛瑙球从球磨罐子中取出，用旋转蒸发器将混料中的乙醇或去离子水蒸发，并将蒸发后的粉体在烘箱中于110-120℃干燥16-24小时；
（3）将干燥15-18小时后的粉末人工过筛，所述筛的目数为200-400，然后将过筛后的粉体在模具中压制成预制坯体，放入刚玉坩埚中，在1500-1600℃下常压烧结10小时，即可得到钆锆双位掺杂Sm2Ce2O7热障涂层陶瓷材料。
3. 根据权利要求1或2所述的钆锆双位掺杂Sm2Ce2O7热障涂层陶瓷材料的制备方法，其特征在于：所述Sm2O3、Gd2O3、ZrO2和CeO2的纯度质量分数>99.9%。
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