CN106884132A - 一种高温热障涂层材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高温热障涂层材料，该类材料为稀土铌酸盐及其固溶体。稀土铌酸盐化学组成为Ln3NbO7，Ln包括La,Pr,Nd,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu,Y及Sc稀土元素。固溶体化学组成为Ln3(Nb1‑xTax)O7(0≤x<1)，Ln为一种或一种以上稀土元素的组合。其特征在于该材料是具有低热导率，1000℃时致密块体本征热导率为1.1～1.4W/m·K,相比目前商用的7～8wt％氧化钇稳定氧化锆(YSZ)材料(～2.5W/m·K)有大幅降低，且该类材料从室温至1600℃保持相稳定性和优异的阻氧能力。本发明材料可应用于燃气轮机或航空发动机高温金属热端部件的防护。

Description

一种高温热障涂层材料
技术领域
本发明属于材料科学与工程技术领域，具体涉及一种高温热障涂层材料及其应用。
背景技术
为了提高航空发动机或燃气轮机的效率和降低碳排放，其进口温度要求越来越高，然而过高的温度给热机金属部件带来更严苛的使用环境，普通的单晶或高温合金已经达到使用极限，很难满足要求。为解决此问题，近年来，热障涂层技术得到了广泛应用。陶瓷热障涂层具有隔热、耐磨损、耐腐蚀和抗氧化等功能，在航天、航空和能源领域应用广泛，特别是在航空发动机的高压涡轮叶片、燃烧室及冷却流道，以及在工业燃气轮机热端部件中防护作用明显，显著提高热机效率和循环寿命。现役商业使用的热障涂层材料是YSZ，其具有较优异的综合性能，但随着使用温度的进一步提高，YSZ存在温度相变、高温涂层烧结加速及透氧增高等不利因素，使其使用温度被限制在1200℃以下，同时YSZ材料的热导率还是相对较高，不利于高温下金属部件热防护，因此需要研发新一代高温热障涂层材料。为了研发新一代高温热障涂层材料，国内外科研人员进行了很多探索，美国专利6231991中报道了稀土锆酸盐(Ln2Zr2O7,Ln为稀土元素)作为新型热障涂层使用。相比YSZ，稀土锆酸盐具有更低的热导率和更高的高温相稳定性。稀土锆酸盐已经在某些J级燃气轮机中得到实际应用(Defect engineering in development of low thermal conductivitymaterials:Areview[J],<<Journal of European Ceramic Society>>,2017(37),p1-13；Zirconatesas new materials forthermal barrier coatings[J],<<Journal of American CeramicSociety>>,2000(83),p2023–2028)。然而稀土锆酸盐的热膨胀系数与金属粘接层有较大的差距，导致循环寿命不理想。稀土铌酸盐是结构和功能一体化材料，在压电、铁电、光学和结构上应用广泛，如在质子陶瓷燃料电池，磁性材料，介电材料和发光材料等有很多具体应用。金属Nb是过渡金属元素，位于周期表中第五周期，属VB族，核外电子排布为4d45s1，常见价态为+5。铌酸盐的晶体结构根据NbO6八面体的不同连接方式具有多样结构，如烧绿石型或缺陷萤石结构(A2B2O7)和钙钛矿型(ABO3)等，其他结构由这两种结构畸变而来，如混合钙钛矿氧化物，有序空位混合价铌酸盐氧化物和CaTa2O6型铌酸盐及四方相钨青铜结构的铌酸盐A6Nb10O3等。结构决定性能，多样的晶体结构加上稀土元素独特的电子结构，决定了稀土铌酸盐在生产实践中的广泛应用。稀土铌酸盐作为结构和功能一体化材料，其作为功能材料研究相对较多，但是目前还没有其作为高温热障涂层应用的报道。根据其独特的结构，本发明将稀土铌酸盐作为高温热障涂层结构材料使用，通过实验测试表明，本发明制备的材料性能相比商用YSZ,稀土铌酸盐具有极低热导率、良好的高温相稳定性和优异的阻氧能力，使用温度区间为室温到1600℃，是一种潜在的高温热障涂层候选材料。
发明内容
本发明的目的是提供一种高温热障涂层材料。
针对目前商用YSZ热障涂层在高温使用过程存在的系列问题，本发明提供一种高温热障涂层材料，该类材料包括稀土铌酸盐及其固溶体。其中所述稀土铌酸盐化学组成为Ln3NbO7，Ln包括La,Pr,Nd,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu,Y及Sc等稀土元素。所述固溶体化学组成为Ln3(Nb1-xTax)O7(0≤x<1)，Ln为一种或一种以上稀土元素的组合。所述材料具有低热导率，1000℃致密块体本征热导率为1.1～1.4W/m.K,相比目前商用YSZ有大幅降低，且该材料从室温至1600℃保持相稳定性和优异的阻氧能力。
本发明的目的还包括提供所述高温热障涂层材料的应用，其特征在于，采用等离子喷涂、电子束物理气相沉积或超音速火焰喷涂工艺在燃气轮机或航空发动机高温金属部件表面沉积一定厚度的热障涂层，所述金属部件的基底为镍基或钴基金属合金。
本发明的目的还包括提供所述高温热障涂层材料的应用，其特征在于，采用等离子喷涂、电子束物理气相沉积或超音速火焰喷涂工艺在燃气轮机或航空发动机高温金属部件表面沉积一定厚度的热障涂层，在金属部件和涂层材料之间有金属粘接层，所述金属粘接层为MCrAlY合金，其中M为Ni,Co或Fe中的一种或两种以上组合，Y为Y,La或Hf中的一种。所述金属粘接层的厚度为150-300微米。
稀土铌酸盐无机材料具有独特的晶体结构，特别是对于缺陷萤石结构的稀土铌酸盐，相结构稳定，在1600℃下使用没有相变。且其晶体结构较为复杂，单位体积内的原子数多，具有高浓度的本征氧空位，且晶体内原子站位具有无序性，混乱度高，此种晶体结构增加了材料声子传导的非谐性，有利于进一步降低晶格热导率。为测试表征本发明材料本征物理性能，我们选取了三种化学组分(Y3NbO7、Yb3NbO7和Gd3NbO7)制备致密陶瓷块体。以Y3NbO7为例简要说明致密块体制备工艺流程：将Y2O3和Nb2O5粉末于1000℃煅烧1小时，后按一定化学计量比混合，用无水乙醇作为混合介质，氧化锆为球磨介质球磨混料，其中磨球总体积占球磨罐容积的45％～55％，转速为300转每分钟。后对浆料进行旋转蒸发后置于120℃干燥箱干燥12小时，过400目筛得到预烧结粉体。将材料粉体采用20MPa保压5分钟，干压成型为直径15mm，厚度2mm的圆片，成型坯体经220MPa冷等静压2分钟后于干燥箱中放置24小时，用于释放静压过程中产生的内应力。将制备的坯体在空气中采用无压烧结，烧结温度参数为室温至1000℃，升温速率为5℃每分钟，1000℃至1600℃为升温速率为3℃每分钟，烧结温度为1600℃，保温10小时。降温速率为5℃每分钟。坯体经过高温烧结均匀扩散和收缩后，得到致密的陶瓷样品。样品微观形貌如图1(扫描电镜)和图2(透射电镜)所示，结果表明样品晶粒发育良好，晶粒尺寸在1～3μm之间。根据阿基米德排水法测量结果，所制备的三种的陶瓷样品的相对致密度都大于95％。图3为三种样品的X射线衍射图，可以看出，所有样品都为单相结构，且衍射峰尖锐，成相完全，其中Y3NbO7，Yb3NbO7为立方萤石结构(Fm-3m)，Gd3NbO7为正交结构(C2221)。图4为利用激光闪射法测量得到的Y3NbO7，Yb3NbO7和Gd3NbO7三种致密样品的热导率与温度的变化关系，可以看出，相比商用YSZ,三种典型稀土铌酸盐材料本征热导率大幅降低，且随温度变化较小。图5为制备材料在700℃的离子电导率，也明显低于YSZ，具有优异的阻氧能力，其他致密块体本征力学和热学性能如表1所示，可以看出，稀土铌酸盐具有良好的综合力学性能，可以作为高温热障涂层材料使用。
表1
理论和实验都表明，掺杂改性可以进一步增强声子散射，降低材料的热导率，同时松弛晶格，提高热膨胀系数。本发明设计了一系列稀土铌酸盐固溶体，其化学组成为Ln3(Nb1-xTax)O7,0≤x<1,其中Ln为一种或一种以上稀土元素的组合，Ln包括La,Pr,Nd,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu,Y及Sc。涂层实验结果测试表明，固溶体的热导率得到一定程度的降低，热膨胀系数得到明显提高。本发明材料应用于燃气轮机或航空发动机高温金属部件的热防护，先在钴基或镍基金属基底表面沉积一层金属粘接层MCrAlY合金，其中M为Ni、Co或Fe中的一种或两种以上组合。Y为Y、La或Hf中的一种。利用前述固相法制备得到粉体，经过喷雾造粒，干燥处理制成粒径30～70微米的高流动性粉末,后采用等离子喷涂、电子束物理气相沉积或其他喷涂技术,在金属粘接层表面沉积一定厚度的陶瓷热障涂层。喷涂涂层测试表明，根据本发明材料制备的热障涂层结合紧密，系统完整。该材料相比商用YSZ涂层材料具有更低热导率、更高的相稳定性和更优异的阻氧能力，此外，本发明稀土铌酸盐无机材料具有稳定的化学性质，对高温熔盐腐蚀具有较强的抵抗能力，符合作为新型高温热障涂层材料的使用要求。
附图说明
图1为根据本发明制备的Y3NbO7，Yb3NbO7和Gd3NbO7三种稀土铌酸盐致密块体样品的SEM形貌图，图中百分比为样品相对致密度。
图2为根据本发明制备的Y3NbO7，Yb3NbO7和Gd3NbO7三种稀土铌酸盐样品的透射电子衍射图。
图3为根据本发明制备的Y3NbO7，Yb3NbO7和Gd3NbO7三种稀土铌酸盐致密块体X射线衍射图。所有制备样品都为单相结构，其中Y3NbO7，Yb3NbO7为立方萤石结构(Fm-3m)，Gd3NbO7为四方结构(C221)。
图4为根据本发明制备的Y3NbO7，Yb3NbO7和Gd3NbO7三种稀土铌酸盐的热导率与温度的变化关系图。
图5为根据本发明制备的Y3NbO7，Yb3NbO7和Gd3NbO7三种稀土铌酸盐的离子电导率及YSZ对比关系图。
图6为根据本发明制备的稀土铌酸盐Y3NbO7热障涂层相片。
图7为根据本发明制备的稀土铌酸盐Yb3NbO7热障涂层相片。
图8为根据本发明制备的稀土铌酸盐Gd3NbO7热障涂层相片。
图9为根据本发明制备的稀土铌酸盐固溶体(La0.7Y0.3)3NbO7热障涂层相片。
图10为根据本发明制备的稀土铌酸盐固溶体(La0.5Y0.5)3NbO7热障涂层相片。
图11为根据本发明制备的稀土铌酸盐固溶体Y3(Ta0.3Nb0.7)O7热障涂层相片。
图12为根据本发明制备的稀土铌酸盐固溶体Y3(Ta0.1Nb0.9)O7热障涂层相片。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明进一步详细说明。
以Y3NbO7、Yb3NbO7和Gd3NbO7及固溶体(La0.7Y0.3)3NbO7、(La0.5Y0.5)3NbO7、Y3(Ta0.3Nb0.7)O7和Y3(Ta0.1Nb0.9)O7为代表介绍本发明。
实施例1：制备Y3NbO7热障涂层材料
利用前述固相法制备得到Y3NbO7粉体，经过喷雾造粒，干燥处理制成粒径30～70微米的高流动性粉末，在钴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250微米厚度的CoCrAlY合金，作为粘结层，后在其表面利用APS法沉积约300微米厚度的Y3NbO7陶瓷涂层，涂层系统结构如图6所示。经测试，涂层气孔率～11％，1000℃涂层热导率为0.48W/m·K,室温至1600℃保持相结构稳定。
实施例2：制备Yb3NbO7热障涂层
利用前述固相法制备得到Yb3NbO7粉体，经过喷雾造粒，干燥处理制成粒径30～70微米的高流动性粉末，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250微米厚度的NiCrAlY合金，作为粘结层，后在其表面利用APS法沉积约300微米厚度的Yb3NbO7陶瓷涂层,涂层系统结构如图7所示。经测试，涂层气孔率～10％，1000℃涂层热导率为0.41W/m·K,室温至1600℃保持相结构稳定。
实施例3：制备Gd3NbO7热障涂层
利用前述固相法制备Gd3NbO7粉体，经过喷雾造粒，干燥处理制成粒径30～70微米的高流动性粉末，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150微米厚度的FeCrAlY合金，作为粘结层，后在其表面利用APS法沉积约200微米厚度的Gd3NbO7陶瓷涂层。涂层系统结构如图8所示，经测试，涂层气孔率～10％，1000℃涂层热导率为0.46W/m·K,室温至1600℃保持相结构稳定。实施例4：制备(La0.7Y0.3)3NbO7热障涂层
利用前述固相法制备得到(La0.7Y0.3)3NbO7粉体，经过喷雾造粒，干燥处理制成粒径30～70微米的高流动性粉末，在钴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150微米厚度的FeCrAlY合金，作为粘结层，后在其表面利用APS法沉积约200微米厚度的(La0.7Y0.3)3NbO7陶瓷涂层。涂层系统结构如图9所示。经测试，涂层气孔率～11％，1000℃涂层热导率为0.42W/m·K,室温至1600℃保持相结构稳定。
实施例5：制备(La0.5Y0.5)3NbO7热障涂层
利用前述固相法制备得到(La0.5Y0.5)3NbO7粉体，经过喷雾造粒，干燥处理制成粒径30～70微米的高流动性粉末，在钴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150微米厚度的CoCrAlY合金，作为粘结层，后在其表面利用APS法沉积约200微米厚度的(La0.5Y0.5)3NbO7陶瓷涂层,涂层系统结构如图10所示。经测试，涂层气孔率～11％，1000℃涂层热导率为0.40W/m·K,室温至1600℃保持相结构稳定。
实施例6：制备Y3(Ta0.3Nb0.7)O7热障涂层
将利用前述固相法制备得到Y3(Ta0.3Nb0.7)O7粉体，经过喷雾造粒，干燥处理制成粒径30～70微米的高流动性粉末，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150微米厚度的NiCrAlY合金，作为粘结层，后在其表面利用APS法沉积约200微米厚度的Y3(Ta0.3Nb0.7)O7陶瓷涂层。涂层系统结构如图11所示，经测试，涂层气孔率～10％，1000℃涂层热导率为0.46W/m·K,室温至1600℃保持相结构稳定。
实施例7：制备Y3(Ta0.1Nb0.9)O7热障涂层
利用前述固相法制备得到Y3(Ta0.1Nb0.9)O7粉体，经过喷雾造粒，干燥处理制成粒径30～70微米的高流动性粉末，在钴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150微米厚度的FeCrAlY合金，作为粘结层，后在其表面利用APS法沉积约200微米厚度的Y3(Ta0.1Nb0.9)O7陶瓷涂层。涂层系统结构如图12所示，经测试，涂层气孔率～11％，1000℃涂层热导率为0.47W/m·K,从室温至1600℃保持相结构稳定。
上述实施例对本发明的技术方案进行了详细说明。显然，本发明并不局限于所描述的实施例。基于本发明中的实施例，熟悉本技术领域的人员还可据此做出多种变化，但任何与本发明等同或相类似的变化都属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种高温热障涂层材料,其特征在于，所述材料包括稀土铌酸盐和其固溶体，所述稀土铌酸盐化学组成为Ln3NbO7,其中Ln包括La,Pr,Nd,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu,Y及Sc稀土元素；所述材料具有低热导率，1000℃时致密块体本征热导率为1.1～1.4W/m.K,且该材料从室温至1600℃保持相稳定性和优异的阻氧能力。
2.根据权利要求1所述高温热障涂层材料，其特征在于，所述固溶体化学组成为Ln3(Nb1-xTax)O7,0≤x<1,其中Ln为一种或一种以上稀土元素的组合，Ln包括La,Pr,Nd,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu,Y及Sc。
3.根据权利要求1或2所述高温热障涂层材料的应用，其特征在于，采用等离子喷涂、电子束物理气相沉积或超音速火焰喷涂工艺在燃气轮机或航空发动机高温金属部件表面沉积一定厚度的热障涂层，所述金属部件的基底为镍基或钴基金属合金。
4.根据权利要求1或2所述高温热障涂层材料的应用，其特征在于，采用等离子喷涂、电子束物理气相沉积或超音速火焰喷涂工艺在燃气轮机或航空发动机高温金属部件表面沉积一定厚度的热障涂层，在金属部件和涂层材料之间有金属粘接层，所述金属粘接层为MCrAlY合金，其中M为Ni,Co或Fe中的一种或两种以上组合，Y为Y,La或Hf中的一种。
5.根据权利要求4所述高温热障涂层材料的应用，其特征在于，所述金属粘接层的厚度为150-300微米。
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