CN104611662A - 部分合金化的氧化锆粉末 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了与氧化钇、氧化钪、氧化镝、氧化镱或者任意镧系元素或锕系元素的氧化物中的一种或多种部分合金化的低密度多孔氧化锆（ZrO2）粉末。合金化氧化物的总量应当低于大约30重量％。所述粉末通过对物理团聚的或者化学生成的氧化锆复合粉末进行受控烧结或者光等离子体致密化而制备，其中所述氧化锆复合粉末含有适量的氧化钇、氧化钪、氧化镝、氧化镱或者任意镧系元素或者锕系元素的氧化物或者上述氧化物的任何组合。使用本发明粉末得到的涂层具有低于5％的单斜相含量。

Description

部分合金化的氧化锆粉末
本申请是分案申请，其母案的申请日为2007年3月2日、申请号为200710084420.2，名称为“部分合金化的氧化锆粉末”。
相关申请的交叉引用
不适用。
关于资助研究或开发的声明
不适用。
引用序列表
不适用。
技术领域
本发明涉及用于热阻隔涂层的材料，更具体地，涉及用于等离子体喷涂沉积方法的部分合金化的氧化锆粉末。
背景技术
近几年来，陶瓷热阻隔涂层（TBC）已经成功地用于工业燃气轮机、飞机发动机、船舶推进装置和其它热金属应用中。已经用于所述涂层应用的一种材料是用大约7重量％的氧化钇（Y2O3）稳定的氧化锆（ZrO2），该材料也被称为7YSZ。通常，来自这种材料的涂层提供了有利的性能组合，所述组合包含低导热率、高热膨胀系数和较高温度范围里的相稳定性。在某些情况下，使用具有7YSZ的TBC可以导致下面的金属表面温度下降多达170℃（300℉），因而提高了金属部件的耐久性并使得发动机性能提高。对更高发动机效率、更高性能和增加的耐久性方面提出的要求已经产生了对于具有更佳保护性能的改进涂层的需要。
沉积TBC可以采用例如等离子体喷涂方法来完成。在该方法中，将陶瓷粉末进料注入到高速等离子体流中，在此所述陶瓷粉末进料被同时熔融和向基材推进。当熔融的颗粒冲击基材时，它们固化形成“薄片激冷金属（splat）”，其积累形成TBC。实际上变成所形成的涂层的一部分的粉末进料的量是沉积效率的量度。沉积效率通常可以被定义为涂层重量对总进料重量的比。为了既提高沉积速率又降低材料损失，改进沉积效率仍是涂覆工业的持续目标。
发明内容
本发明通过提供与氧化钇、氧化钪、氧化镝、氧化镱或者任意镧系元素或者锕系元素氧化物中的一种或多种部分合金化的低密度多孔氧化锆（ZrO2）粉来满足上述关于提高涂层性能和沉积效率的需求。可以单独或者以任何组合形式包含上述氧化物。根据本发明的一个实施方案，合金化氧化物的总量应当低于大约30重量％。一个实例是含有大约6-9重量％氧化钇的氧化锆合金。该粉末通过对含有适量（例如，总组合低于30重量％）的氧化钇、氧化钪、氧化镝、氧化镱或者任意镧系元素或者锕系元素氧化物或者上述氧化物的任何组合的物理团聚或者化学生成的氧化锆复合粉末进行受控烧结或者光等离子体致密化（light plasma densification）来制备。本发明的粉末含有大约10体积％至大约75体积％的单斜相ZrO2或者未合金化的ZrO2。粉末的表观密度大致为1.0-2.0g/cm3。当在相同加工条件下用于等离子体喷涂沉积方法中时，本发明粉末的沉积效率比具有类似组成和类似颗粒尺寸分布的完全合金化粉末（完全合金化粉末是指含有低于10％的单斜氧化锆相的氧化锆合金）的沉积效率高直到50％或者更高。使用本发明粉末得到的涂层具有低于大约5％的单斜相含量。
在本发明的一个方面中，提供了制备部分合金化的氧化锆复合粉末的方法，该方法包括下列步骤：（1）提供通过喷雾干燥、机械包覆或者磨碎（attrition milling）形成的团聚粉末或者提供含有适量的氧化钇、氧化钪、氧化镝、氧化镱或者任意镧系元素或者锕系元素氧化物或者上述氧化物的任何组合的化学生成的氧化锆复合粉末；和（2）通过将该粉末加热到至少1400℃烧结所述团聚的粉末或者化学生成的粉末，其中对烧结工艺进行控制，以将合金化程度限制在大约25％至90％。
在本发明的另一方面，提供了制备部分合金化的氧化锆复合粉末的另一方法，该方法包括下列步骤：（1）提供通过喷雾干燥、机械包覆或者磨碎形成的团聚粉末或者提供含有适量的氧化钇、氧化钪、氧化镝、氧化镱或者任意镧系元素或者锕系元素氧化物或者上述氧化物的任何组合的化学生成的氧化锆复合粉末；和（2）在环境空气、低压或者真空受控气氛之一中使所述团聚粉末或者化学生成的粉末等离子体致密化，其中控制等离子体致密化工艺以将合金化程度限制在大约25％至90％。
在本发明的另一方面，提供了制备部分合金化的氧化锆复合粉末的另一方法，该方法包括下列步骤：（1）提供通过喷雾干燥、机械包覆或者磨碎形成的团聚粉末或者提供含有适量的氧化钇、氧化钪、氧化镝、氧化镱或者任意镧系元素或者锕系元素氧化物或者上述氧化物的任何组合的化学生成的氧化锆复合粉末；和（2）然后在环境空气、低压或者真空受控气氛之一中使用对所述团聚粉末或者化学生成的粉末进行烧结和等离子体致密化的组合来使得所述粉末部分合金化，其中控制所述烧结工艺和等离子体致密化工艺的组合以将合金化程度限制在大约25％至90％。
在本发明的又一方面，提供了在基材上施加涂层的方法。该方法包括下列步骤：提供与氧化钇、氧化钪、氧化镝、氧化镱或者任意镧系元素或锕系元素氧化物或者上述氧化物的任何组合部分合金化的氧化锆（ZrO2），其中所述粉末含有大约10体积％至大约75体积％的单斜相氧化锆或者未合金化的氧化锆。该方法的另一步骤是使用等离子体喷涂方法在基材上沉积粉末以形成涂层，其中所述涂层含有低于5％的单斜相含量。
本发明的其它方面将由下面的说明给出，这些方面部分地将由所述说明变得显而易见，或者可以通过实施本发明获悉。本发明的这些方面可以通过下面特别指出的手段或其组合来实现和获得。
附图说明
附图阐述了本发明的实施方案并与说明书一起用于解释本发明的原理，这些附图被包括进来以提供对本发明的进一步理解并结合到说明书中构成该说明书的一部分。在附图中：
图1提供了根据本发明的粉末制造方法的流程图；
图2提供了根据本发明使用的等离子体致密化装置的示意图；和
图3提供了根据本发明至少一个方面制备得到的涂层的显微照片。
具体实施方式
现在将详述本发明的优选实施方案，其实施例图示于附图中。
本发明包括用于制备与氧化钇、氧化钪、氧化镝、氧化镱或者任意镧系元素或者锕系元素氧化物或者上述氧化物的任何组合部分合金化的低密度多孔氧化锆（ZrO2）的方法。合金化氧化物的总量应当低于30重量％。一个实例是含有大约6重量％至大约9重量％的氧化钇的氧化锆复合体，但是在要求保护的本发明范围内可以设想无数的其它组合物。当在相同处理条件下进行等离子体喷涂时，这种粉末表现出比具有相同组成和类似颗粒尺寸分布的完全合金化粉末的沉积效率高直到5％至50％的沉积效率。该部分合金化的氧化锆复合粉末含有大约10体积％至大约75体积％的单斜相ZrO2或者未合金化的ZrO2。完全合金化的粉末（包括例如熔合和碾碎的、等离子体致密化的、团聚和烧结的粉末）通常含有低于10体积％的单斜相ZrO2或者未合金化的ZrO2。
图1提供了根据本发明产生和施加粉末的方法100的流程图。在步骤S102中，提供了基础粉末材料。该基础材料是团聚或者化学生成的氧化锆复合粉末，其含有适量的氧化钇、氧化钪、氧化镝、氧化镱或者任意镧系元素或者锕系元素氧化物或者上述氧化物的任何组合。步骤S102的团聚粉末可以通过例如喷雾干燥、机械包覆或者磨碎而形成。然后，所述基础粉末通过受控烧结（步骤S104）或者光等离子体致密化（步骤S106）部分合金化。备选地，该粉末可以使用烧结和等离子体致密化的组合进行部分合金化。在步骤S104中，烧结可以在任何能够将粉末加热到1400℃或者更高温度的炉子中进行。
在步骤S106中，等离子体致密化在等离子体装置中实施。根据本发明的一个实施方案的等离子体装置200的示意图显示在图2中。等离子体装置200包括具有所需电源和冷却系统（未示出）的等离子炬202、粉末进料器204、用于收集粉末的腔室206和除尘系统208。等离子炬202可以例如是DC等离子炬或感应等离子炬。等离子体装置200可以在空气中、低压下、真空中或者受控气氛中操作。
在形成部分合金化粉末中，控制步骤S104的烧结或者步骤S106的等离子体致密化以将合金化程度限制到大约25％至90％。换句话说，将产物中的单斜相ZrO2保持在大约10体积％至75体积％。来自烧结步骤S104或者等离子体致密化步骤S106的所得粉末具有1.0-2.0g/cm3的表观密度。所得粉末还具有对于热喷涂应用而言典型的颗粒尺寸，其通常处于等于或者小于约80目（180微米）且等于或大于约5微米的目数范围内。
在步骤S108中，使用等离子体喷涂方法将粉末沉积到基材上以形成涂层，使得所得涂层将具有低于5％的单斜相含量。当与在相同操作条件下进行等离子体喷涂的而且具有相同颗粒尺寸的完全合金化粉末相比时，本发明的粉末在沉积效率方面显示出高达5％-50％的改进。图3提供了当根据上述方法的实施方案施加到基材310上所得涂层300的横截面的显微照片。
本领域技术人员将容易想到其它优点和改进。因此，在本发明的更广泛的方面内，其不受限于在本文中示出和记载的具体细节和代表性的实施方案。因此，可以做出各种改进而不偏离该总的发明构思的精神或范围，该总的发明构思的精神或范围为所附权利要求和它们的等价物所限定。

Claims (14)

1. 制备与氧化钇、氧化钪、氧化镝、氧化镱或者任意镧系元素或者锕系元素的氧化物中的一种或多种部分合金化的氧化锆（ZrO2）复合粉末的方法，其中该粉末具有大约10体积％至大约75体积％的单斜相氧化锆或者未合金化的氧化锆，包括下列步骤：
提供含有低于30重量％的氧化钇、氧化钪、氧化镝、氧化镱或者任意镧系元素或者锕系元素氧化物中的一种或多种的团聚粉末或者化学生成的氧化锆复合粉末；和
通过将所述团聚粉末或者化学生成的粉末加热到至少1400℃来烧结所述粉末，其中控制烧结工艺以将合金化程度限制在大约25体积％-90体积％；
其中所述部分合金化的氧化锆复合粉末的表观密度为大约1.0-大约2.0g/cm3。
2. 权利要求1的方法，其中所述团聚粉末通过喷雾干燥、机械包覆或者磨碎来形成。
3. 权利要求1的方法，其中所述团聚粉末或者化学生成的氧化锆复合粉末含有大约6重量％至大约9重量％的氧化钇。
4. 权利要求1的方法，其中所述部分合金化的氧化锆复合粉末具有对于热喷涂应用而言典型的颗粒尺寸，通常为大约5微米至大约180微米。
5. 制备与氧化钇、氧化钪、氧化镝、氧化镱或者任意镧系元素或者锕系元素的氧化物中的一种或多种部分合金化的氧化锆（ZrO2）复合粉末的方法，其中该粉末具有大约10体积％至大约75体积％的单斜相氧化锆，包括下列步骤：
提供含有低于30重量％的氧化钇、氧化钪、氧化镝、氧化镱或者任意镧系元素或者锕系元素氧化物中的一种或多种的团聚粉末或者化学生成的氧化锆复合粉末；和
使所述团聚粉末或者化学生成的粉末等离子体致密化，其中控制等离子体致密化工艺以将合金化程度限制在大约25体积％-90体积％；
其中所述部分合金化的氧化锆复合粉末的表观密度为大约1.0-大约2.0g/cm3。
6. 权利要求5的方法，其中所述团聚粉末通过喷雾干燥、机械包覆或者磨碎而形成。
7. 权利要求5的方法，其中所述等离子体致密化步骤在环境空气、低压或者真空受控气氛之一中进行。
8. 权利要求5的方法，其中所述团聚粉末或者化学生成的氧化锆复合粉末含有大约6重量％至大约9重量％的氧化钇。
9. 权利要求5的方法，其中所述部分合金化的氧化锆复合粉末具有对于热喷涂应用而言典型的颗粒尺寸，通常为大约5微米至大约180微米。
10. 制备与氧化钇、氧化钪、氧化镝、氧化镱或者任意镧系元素或锕系元素的氧化物中的一种或多种部分合金化的氧化锆（ZrO2）复合粉末的方法，其中该粉末具有大约10体积％至大约75体积％的单斜相氧化锆，包括下列步骤：
提供含有低于30重量％的氧化钇、氧化钪、氧化镝、氧化镱或者任意镧系元素或者锕系元素氧化物中的一种或多种的团聚粉末或者化学生成的氧化锆复合粉末；和
使用对所提供的粉末进行烧结和等离子体致密化的组合来使所提供的粉末部分合金化，其中控制所述烧结工艺和等离子体致密化工艺的组合以将合金化程度限制在大约25体积％至90体积％；
其中所述部分合金化的氧化锆复合粉末的表观密度为大约1.0-大约2.0g/cm3。
11. 权利要求10的方法，其中所述等离子体致密化步骤在环境空气、低压或者真空受控气氛之一中进行。
12. 权利要求10的方法，其中所述烧结步骤包括将粉末加热到至少1400℃。
13. 权利要求10的方法，其中所述团聚粉末或者化学生成的氧化锆复合粉末含有大约6重量％至大约9重量％的氧化钇。
14. 权利要求10的方法，其中所述部分合金化的氧化锆复合粉末具有对于热喷涂应用而言典型的颗粒尺寸，通常为大约5微米至大约180微米。
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