CN103693956A - 一种ysz-lsm复合热障涂层材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种YSZ-LSM复合热障涂层材料的制备方法，包括：以浓度均为5～60wt％的Zr(NO₃)₄和Y(NO₃)₃溶液作为金属离子源合成YSZ，按摩尔比为97:3～90:10配制Zr(NO₃)₄和Y(NO₃)₃混合溶液，再按LSM和YSZ的质量之比为1:9～7:3制成混合物后进行超声波处理；在所述混合物中按燃烧剂和溶液中金属离子Zr⁴⁺、Y³⁺总的摩尔比为1:1～8:1加入燃烧剂，然后将加入燃烧剂的混合溶液加热并使所述加入燃烧剂的混合溶液胶化，直至形成以LSM为分散相的胶状物；继续加热所述胶状物至发生低温自蔓延燃烧得到初次粉体，然后对所述初次粉体进行成相焙烧处理，制得YSZ-LSM热障涂层复合粉体。本发明具有YSZ和LSM复合均匀、涂层热导率低、抗烧结性能好等优点。

Description

一种YSZ-LSM复合热障涂层材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种YSZ-LSM复合热障涂层材料的制备方法，属于热障涂层技术领域。

背景技术

热障涂层又称隔热涂层，是指由隔热性好的陶瓷层和金属粘结层组成的金属陶瓷复合涂层系统。在航空领域主要用来为高温热气流条件下工作的涡轮发动机叶片、燃烧室、隔热屏等热端部件提供隔热保护。此外，热障涂层还可以将基体与高温燃气隔离开来，使金属或合金基体免受高温氧化、燃气腐蚀和冲蚀。在现有技术条件下，厚度为250μm的热障涂层可使叶片基体表面温度降低111～167℃，这相当于经过30年的努力才能在提高高温合金使用温度的方面取得的进展。与开发新的高温合金相比，热障涂层技术的研究成本较低，工艺也现实可行，已成为涡轮发动机热端部件高温防护涂层技术的重要发展方向。

目前，广泛应用的热障涂层材料为6～9wt%Y₂O₃部分稳定的ZrO₂(YSZ)。该涂层具有与基体相匹配的热膨胀系数以及优良的力学性能，是目前在航空发动机领域广泛应用的热障涂层面层陶瓷材料。但是，随着航空发动机的使用寿命和可靠性要求的不断提高，YSZ热障涂层在应用中还存在一些问题。YSZ材料在1000℃下热导率为2.3W/m^-1·K^-1，相对于更好地保护基体金属、提高隔热效率的目标，这一数值尚显偏高。此外，YSZ涂层在高温环境中长时间运行会发生烧结，容易导致涂层出现裂纹和剥落现象，从而影响了YSZ热障涂层的使用寿命。

发明内容

本发明提出了一种YSZ-LSM复合热障涂层材料的制备方法，以解决现有的热障涂层材料存在的热导率较高、在高温环境中长时间运行会发生烧结的问题。为此，本发明提出了如下的技术方案：

一种YSZ-LSM复合热障涂层材料的制备方法，包括：

以浓度均为5～60wt％的Zr(NO₃)₄和Y(NO₃)₃溶液作为金属离子源合成YSZ，按摩尔比为97:3～90:10配制Zr(NO₃)₄和Y(NO₃)₃混合溶液，再按LSM和YSZ的质量之比为1:9～7:3制成混合物后进行超声波处理；

在所述混合物中按燃烧剂和溶液中金属离子Zr⁴⁺、Y³⁺总的摩尔比为1:1～8:1加入燃烧剂，然后将加入燃烧剂的混合溶液加热并使所述加入燃烧剂的混合溶液胶化，直至形成以LSM为分散相的胶状物；

继续加热所述胶状物至发生低温自蔓延燃烧得到初次粉体，然后对所述初次粉体进行成相焙烧处理，制得YSZ-LSM热障涂层复合粉体。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明提供了一种YSZ-LSM复合热障涂层材料及其制备方法，具有YSZ和LSM复合均匀、涂层热导率低、抗烧结性能好等优点。

附图说明

图1为本发明的具体实施方式提供的低温自燃烧原位合成YSZ-LSM复合粉体的X－射线衍射图。

具体实施方式

本发明的具体实施方式提出了一种低热导率、高抗烧结YSZ-LSM复合热障涂层材料的制备方法，其复合粉体合成步骤主要包括：原料溶液的配制、前驱体粉体的合成和热处理过程。YSZ-LSM热障涂层复合粉体的制备以LSM粉末作复合粉体的核心，YSZ作包覆层，尿素作燃烧剂，采用低温自燃烧原位合成法制备YSZ-LSM复合粉体，其中YSZ为Y₂O₃稳定的ZrO₂的简称，LSM为La_1-xSr_xMnO₃的简称，具体的步骤如下：

步骤1，以浓度均为5～60wt％的Zr(NO₃)₄和Y(NO₃)₃溶液作为金属离子源合成YSZ，按摩尔比为97:3～90:10配制Zr(NO₃)₄和Y(NO₃)₃混合溶液，再按LSM和YSZ的质量之比为1:9～7:3制成混合物后进行超声波处理；

步骤2，在所述混合物中按燃烧剂和溶液中金属离子Zr⁴⁺、Y³⁺总的摩尔比为1:1～8:1加入燃烧剂，然后将加入燃烧剂的混合溶液加热并使所述加入燃烧剂的混合溶液胶化，直至形成以LSM为分散相的胶状物；

步骤3，继续加热所述胶状物至发生低温自蔓延燃烧得到初次粉体，然后对所述初次粉体进行成相焙烧处理，制得YSZ-LSM热障涂层复合粉体。

具体的，相应的LSM为La_1-xSr_xMnO₃，其中的x为0～0.80，La_1-xSr_xMnO₃的粉体粒径的范围是0.1～3.0μm。相应的燃烧剂包括尿素、柠檬酸或氨基乙酸。相应的超声波处理的时间为5～30分钟。将加入燃烧剂的混合溶液加热的温度为150～450℃。继续加热所述胶状物的温度为250～500℃。所述成相焙烧处理的温度为600～1200摄氏度，时间为1～5小时。

下面通过具体的实施例对本发明提出的YSZ-LSM复合热障涂层材料的制备方法作详细说明。

实施例1：

配制Zr(NO₃)₄和Y(NO₃)₃溶液，试剂采用纯度大于99.5%的Zr(NO₃)₄·6H₂O和Y(NO₃)₃·6H₂O，实验用水为去离子水。称取22g Zr(NO₃)₄·6H₂O和20g Y(NO₃)₃·6H₂O，加入到2L去离子水中并充分搅拌溶解，混合均匀后加入LSM粉体形成混合物，LSM的质量和将生成的YSZ理论质量之比为4:6，再超声波处理30分钟。按照尿素与溶液中金属离子Zr⁴⁺和Y³⁺总量的摩尔比为6:1的比例称取尿素加入上述混合溶液，然后将混合物转至蒸发皿中并在400℃加热蒸发，使混合溶液胶化，直至形成以LSM为分散相的胶状物；继续加热至燃烧，得到初次粉体。将该初次粉体在1000℃焙烧2小时得到YSZ-LSM复合粉体。

图1所示为低温自燃烧原位合成的YSZ-LSM复合粉体的X－射线衍射图（XRD）。从图1可以看出，粉体中LSM和YSZ的晶型较为完整，并无杂相产生。

实施例2：

将燃烧法制得的YSZ-LSM复合粉体与其2倍质量的去离子水混合调制料浆，在料浆中加入YSZ-LSM复合粉体质量10wt.%粘合剂K30胶和适量其它辅助剂，包括聚乙二醇、正辛醇、增粘剂，球磨12小时后送入离心雾化干燥仪进行喷雾造粒。进料速度为500mL/h，离心速度为10500转/min，进口和出口温度分别为350℃和150℃，干燥气为N₂。将收集后的粉末在马弗炉中1000℃下热处理2小时得到球形YSZ-LSM造粒粉末材料。然后采用GTV大气等离子喷涂设备将YSZ-LSM造粒粉末喷涂到金属基体上制得YSZ-LSM热障涂层。

采用本具体实施方式提供的技术方案，通过YSZ包覆LSM材料形成YSZ-LSM复合粉体，在YSZ热障涂层中引入低热导率、高熔点的LSM成分，从而提高YSZ热障的涂层隔热效率和抗烧结性能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明实施例揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种YSZ-LSM复合热障涂层材料的制备方法，其特征在于，包括：

以浓度均为5～60wt％的Zr(NO₃)₄和Y(NO₃)₃溶液作为金属离子源合成YSZ，按摩尔比为97:3～90:10配制Zr(NO₃)₄和Y(NO₃)₃混合溶液，再按LSM和YSZ的质量之比为1:9～7:3制成混合物后进行超声波处理；

在所述混合物中按燃烧剂和溶液中金属离子Zr⁴⁺、Y³⁺总的摩尔比为1:1～8:1加入燃烧剂，然后将加入燃烧剂的混合溶液加热并使所述加入燃烧剂的混合溶液胶化，直至形成以LSM为分散相的胶状物；

继续加热所述胶状物至发生低温自蔓延燃烧得到初次粉体，然后对所述初次粉体进行成相焙烧处理，制得YSZ-LSM热障涂层复合粉体。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述LSM为La_1-xSr_xMnO₃，其中的x为0～0.80。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述La_1-xSr_xMnO₃的粉体粒径的范围是0.1～3.0μm。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述YSZ-LSM热障涂层复合粉体中的YSZ将LSM包覆。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述燃烧剂包括尿素、柠檬酸或氨基乙酸。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述超声波处理的时间为5～30分钟。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，将加入燃烧剂的混合溶液加热的温度为150～450℃。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，继续加热所述胶状物的温度为250～500℃。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述成相焙烧处理的温度为600～1200摄氏度，时间为1～5小时。

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