CN108675824B - 一种等离子物理气相沉积热障涂层用多孔稀土锆酸盐粉末及其制备方法 - Google Patents

一种等离子物理气相沉积热障涂层用多孔稀土锆酸盐粉末及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种等离子物理气相沉积热障涂层用多孔稀土锆酸盐粉末及其制备方法，属于氧化物陶瓷材料制备和热障涂层防护技术领域。所述的制备方法首先将稀土氧化物与氧化锆粉末按比例混合，并与溶剂介质A球磨，得到第一悬浊液后进行干燥和烧结成相；然后加入溶剂介质B第二次球磨，得到第二悬浊液后与粘结剂混合并造粒，得到微米团聚型球形粉末；最后筛分配级后进行低温热处理，即得多孔稀土锆酸盐粉末。本发明所得粉末具有高温相稳定性，良好的抗热腐蚀性能，纯度高、球形度高、流动性好和压溃强度低，沉积效率高；制备工艺方便，设备简单，易于生产扩大化，成本较低。

Description

一种等离子物理气相沉积热障涂层用多孔稀土锆酸盐粉末及 其制备方法
技术领域
本发明属于氧化物陶瓷材料制备和热障涂层防护技术领域，涉及一种等离子物理气相沉积热障涂层用多孔稀土锆酸盐粉末及其制备方法。
背景技术
随着发动机向高推重比、高流量的发展，发动机涡轮叶片的工作温度越来越高，可能达到1400℃，而高温合金的承受温度的极限已经达到1100℃，所以热障涂层的存在显得尤为重要。
热障涂层，也称TBCs，是将耐高温、低热导、抗腐蚀的陶瓷材料以涂层方式与金属基体相复合，以降低高温环境下金属表面温度的热防护技术，是先进燃气涡轮发动机叶片三大关键技术之一。其作用是：可以提高发动机推力和效率、延长热端部件寿命、提高合金抗氧化腐蚀能力、降低发动机油耗。
目前应用最为广泛的热障涂层陶瓷层材料是8YSZ(氧化钇部分稳定的氧化锆)，但是在1250℃工作时，8YSZ会发生相变而烧结，使得TBCs韧性变差，容易剥落导致失效。因此，寻找新的TBCs材料成为该领域专家学者的主要任务。研究发现，新型的稀土锆酸盐是一种很有潜力的材料，主要体现在：该材料的热导率在1000℃～1400℃时为1.1～1.7W·m-1K-1，明显低于8YSZ的热导率；在室温到1500℃的温度区间内呈烧绿石结构，它的相稳定区比传统的8YSZ提高250℃左右；高温的热扩散系数明显低于8YSZ。稀土锆酸盐越来越受到人们的关注。
目前热障涂层的制备方法主要有三种：大气等离子喷涂(APS)、电子束物理气相沉积(EB-PVD)、等离子物理气相沉积技术(PS-PVD)。大气等离子喷涂(APS)成本低、隔热性能好，但由于是层状结构，机械结合，热循环寿命较低；电子束物理气相沉积(EB-PVD)得到柱状晶结构，结合力强，热循环寿命较高，但其造价高，隔热性能较差；等离子物理气相沉积(PS-PVD)的原理与APS相同，但是PS-PVD具有高真空系统，低压状态下，等离子射流具备大直径、长焰流，以及高速度的特点，它兼具大气等离子喷涂和电子束物理气相沉积的优点，通过改变等离子射流状态，可以实现气相、液相、固相多相复合沉积，制备出液相为主的层状结构、气相为主的柱状结构、或者气液比例相当的混合状结构涂层。PS-PVD制备涂层具备沉积效率高、涂层热循环寿命高、涂层隔热性能可调控、成本低的特点。综上所述，PS-PVD已成为制备未来先进发动机热障涂层的最有前景的技术之一。针对PS-PVD等离子体射流的特点，对粉末的性质提出了要求：要求粉末在送粉过程中具备一定的流动性，喷涂过程中保持顺畅送粉，不沾喷枪内壁，这就需要粉末具备一定的强度和合适的松装密度，由于柱状晶是由气相沉积获得，则需要粉末：1.表面要多孔，在等离子射流中充分进行热交换；2.在喷枪口容易破碎，分散成较小的颗粒，在撞击的过程中与射流进行充分的热交换，充分气化。用以制备结构可调控的高性能热障涂层。
传统等离子喷涂用粉末的制备方法，多采用固相烧结法或者化学共沉淀法制备微米或亚微米原粉，再通过喷雾干燥将原粉团聚成具有一定粒径、适合等离子喷涂的造粒粉。化学共沉淀法因无需高温长时加热反应成相，更容易控制原粉粒径。氧化锆系列粉末共沉/烧结制备方法(EP67327，1982-2-22；C104687，1979-1-14)简介如下：稳定剂离子与锆盐离子在碱溶液中共沉淀，再经细磨、洗滤、干燥、二次细磨、烧成和筛选后制得所需粉末。但是，在共沉淀过程中，由于不同盐离子化合物沉淀的最佳pH值范围不同，所以在特定的pH值条件下，二者的沉淀速率差异较大，很难实现原粉的化学均匀性。中国专利CN104086175A采用水热法制备氧化锆系列原粉，结合喷雾造粒和烧结工艺的控制，制备出了氧化钇均匀分布的小粒径等离子喷涂用粉末，但水热法成本高昂无法普遍使用。固相烧结法通常是采用球磨的方法将原材料进行机械混合，然后在高温烧结，颗粒间发生扩散，使其成相。接触状态不仅受颗粒的性质，如：粒径、颗粒形状和表面状态等影响显著；也受粉体处理方法，如：团聚状态和填充状态等对粉末高温反应的影响较大，为保证原粉无杂相，需高温充分加热。但该方法原理简单、实施方便，易于工程化。
中国专利CN106435432A提到用高分子与陶瓷复合材料粉末喷涂热障涂层，然后高温去除高分子材料，得到孔隙率和孔隙形貌可控的热障涂层，但是该热障涂层与基体的结合力较差，去除高分子材料的过程中容易产生大量气体，造成大量的裂纹，影响涂层的隔热性能和寿命。
发明内容
针对现有技术做出的微米、纳米稀土锆酸盐粉体粒度小、流动性差、沉积效率低或者造粒粉粒度大，难以气化，喷涂粉末相成分不稳定的问题，本发明提供了一种等离子物理气相沉积用稀土锆酸盐粉末及其制备方法。本发明制备方法所得粉末具有高温相稳定性，良好的抗高温氧化及抗热腐蚀性能，纯度高、球形度高、流动性好和压溃强度低的特点。降低了喷涂的难度，较易得到气相，提高了热障涂层的结构可设计性，能够满足等离子物理气相沉积喷涂工艺的需要，并且还可以用于制备多种高熔点团聚球形陶瓷粉末。
本发明采用高分子填料或者碳材料作为制备孔隙的造孔材料，在球磨过程中将造孔材料加入，然后进行喷雾干燥，将造孔材料在较低温度去除，目的是得到孔隙率可控的热喷涂粉末，使其在等离子喷涂过程中充分进行热交换，达到控制其气固液三相比例的目的，提高涂层结构的可设计性。本发明所得热障涂层符合所需化学计量比，结构稳定。
本发明提供的一种等离子物理气相沉积热障涂层用多孔稀土锆酸盐粉末的制备方法，包括以下步骤：
第一步，第一次球磨：将稀土氧化物(RE2O3)(例如：氧化钆、氧化镧、氧化铈、氧化镱、氧化钪、氧化铒、氧化钐、氧化镝等)与氧化锆(ZrO2)粉末按照实际PS-PVD喷涂所得符合化学计量比的涂层成分，混合得到混合粉末，加入球磨罐内，并加入溶剂介质A。在球磨罐内加入氧化锆磨球，进行第一次球磨，粉末、氧化锆磨球和溶剂介质A进行混合，混合质量比为1：(1～2)：(1～3)，球磨机转速300～400r/min，球磨时间为18～36h，制成第一悬浊液。
所述溶剂介质A为水、酒精、丙酮等溶剂中的任意一种，所述混合粉末与溶剂介质A的质量比(1～2)：(2～3)。
所述稀土氧化物与氧化锆粉末的有效成分质量分数在99.9％以上，粉末的粒度分布在5～7μm，第一次球磨完毕之后粉末粒度≤1μm(粒径分布为0.7～3μm)。
第二步，烧结成相：将第一步球磨后的得到的第一悬浊液放入烘箱内进行干燥：温度为80℃，时间为8～10h；将干燥后所得的粉末放入高温箱式炉进行烧结，得到烧绿石或萤石结构的粉末。所述烧结的温度为1200～1600℃，时间为5～15h；
第三步，加入填料后第二次球磨：将第二步所得烧绿石或萤石结构的粉末、氧化锆磨球和溶剂介质B进行混合，混合质量比为1：1：(1～3)；再填料进行第二次球磨，为第二次球磨转速300～400r/min，球磨时间12h混合均匀，第二次球磨后得到第二悬浊液，固含量为20～30wt.％。
所述溶剂介质B为水、酒精、丙酮中的任意一种。
所述填料为：聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、石墨或活性炭等可以高温去除的物质中的一种或两种以上，加入量为烧绿石或萤石结构粉末体积的3％～45％。所述填料的粒径在5～7微米，形状为多边形。
第四步，喷雾造粒：将第三步所得第二悬浊液放入搅拌池中，并且加入粘结剂，进行搅拌，得到粘度小于180mPa*S的浆料。利用上述浆料，采用压力式雾化器进行团聚造粒，并在干燥塔中进行干燥，浆料进口温度不超过280℃，干燥后得到微米团聚型球形粉末。
所述粘结剂为聚乙烯醇(PVA)、聚苯乙烯(PS)或羟甲基纤维素(CMC)中的任意一种，所述粘结剂的加入量为所述第二悬浊液质量的1～2wt.％，进一步优选为1.3％～1.7％。
所述喷雾干燥方式为：压力式雾化器、气流式雾化器或离心式喷雾干燥器中的一种。
第五步，筛分配级：将第四步所得微米团聚型球形粉末过筛。
最终所得粉末的性质：D50在10～20μm之间，松装密度为1.25～1.45g/cm3，振实密度为1.52～1.60g/cm3，流动性用霍尔漏斗测量为99～120s/50g，符合PS-PVD设备的要求，粉末粒径为1～30μm。
第六步，低温热处理：将第五步所选取的粉末进行低温热处理，目的是去除粘结剂以及填料，即可得到适合等离子物理气相沉积热障涂层用多孔稀土锆酸盐粉末。
所述低温热处理是指在温度为400～800℃，保温时间为2～4h后随炉冷却。
相比现有技术，本发明具有如下优点：
1、喷雾造粒前将混合粉末进行高温烧结成相，可以得到纯相的烧绿石结构粉末，该烧绿石结构粉末具有高温相稳定性、较低的热导率、耐热腐蚀性好的特点。粉末喷涂的热障涂层的隔热性能超过YSZ(氧化钇稳定的氧化锆)的涂层，在高温下具有很强的抗烧结能力和极高的相稳定性。
2、加入的填料可以在高温进行去除，造粒过程中可以通过控制填料的比例来控制粉末孔隙率和孔隙形貌，喷涂过程中，使得热交换更为充分，被等离子束流加热容易液化甚至气化，而且工艺简单、粉末质量稳定。
3、喷雾造粒后，粉末直接筛分配级。所得粉末球形度高，流动性好，压溃强度较低，在等离子物理气相沉积过程容易破碎成小颗料，被等离子束流加热容易气化，提高了热障涂层的结构可设计性。
4、采用第二次球磨后的微米粉末进行造粒，提高了粉末的孔隙率，使得热交换得以加强，降低了造粒粉的结合强度，粉末更容易受外界撞击而破碎，更容易液化甚至气化。
5、配浆过程采用粘结剂，使得造粒粉末具备一定的结合强度，保持其生产及运输过程的稳定性。
6、采用喷雾干燥的方法对微米粉末进行造粒，能够快速得到所需粒度的粉末，高纯粉体原料可以保证成品粉末的纯度。
7、本发明工艺方便，设备简单，易于操作，生产扩大化不成问题，所得粉末的质量稳定，成本较低。
8、本方法所得粉末具有高温相稳定性，良好的抗高温氧化及抗热腐蚀性能，纯度高、球形度高、流动性好和压溃强度低，沉积效率高的特点。降低了喷涂的难度，较易得到气相，提高了热障涂层的结构可设计性，能够满足等离子物理气相沉积喷涂工艺的需要，并且还可以用于制备多种高熔点团聚球形陶瓷粉末。
附图说明
图1为实施例1所得锆酸钆粉末的SEM形貌；
图2为实施例1所得锆酸钆PS-PVD喷涂热障涂层的XRD图；
图3为实施例1所得锆酸钆PS-PVD喷涂热障涂层形貌；
图4为实施例1所得锆酸钆PS-PVD喷涂热障涂层截面形貌；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明，所述实施例用于解释本发明而不是限定本发明的保护范围，所述实施例是本发明较优的例子，用于本领域的技术人员理解本发明，但本发明不限于这些实施例。
实施例1：
步骤一：第一次球磨：将氧化钆与氧化锆按照摩尔比1.1：2混合，所用氧化物(氧化锆、氧化钆)的纯度>99.9％，粒径为5～9μm。将混合粉末加入球磨罐内，并加入酒精和氧化锆磨球，进行第一次球磨。混合粉末、氧化锆磨球和酒精进行混合，混合质量比为1：1.5：2，球磨机转速300r/min，球磨时间为24h，得到第一悬浊液。
步骤二：烧结成相：将步骤一所述第一悬浊液(用激光粒度测试仪测得其粒度为0.7～1μm)放入烘箱内进行干燥：温度为80℃，时间为10h；将干燥所得的粉末放入高温箱式炉进行烧结，得到烧绿石结构。烧结温度为1550℃，时间为14h；
步骤三：加入填料后第二次球磨：将步骤二所得烧绿石结构粉末、氧化锆磨球与酒精按质量比1：1：1混合均匀；加入聚碳酸酯(PC)作为造孔材料，进行第二次球磨；第二次球磨转速300r/min，球磨时间12h，混合均匀，第二次球磨后得到第二悬浊液，用激光粒度测试仪测得该步骤所得悬浊液的粒度为(0.7～1μm)。所述填料体积分数为烧绿石结构粉末的35％，填料的粒径在5～7微米，形状为多边形。
步骤四：喷雾造粒：将第三步所得第二悬浊液放入搅拌池中，并且加入1.3wt.％(第二悬浊液的质量)的粘结剂，进行搅拌，料浆粘度为130mPa*S。利用上述浆料，采用压力式雾化器进行团聚造粒，并在干燥塔中进行干燥，料浆进口温度为275℃，制成微米团聚型球形粉末。
步骤五：筛分配级：将步骤四所得微米团聚型球形粉末过筛。
最终所得粉末的性质：D50在10～20μm之间，粒径整体分布为1～30μm，松装密度为1.34g/cm3，振实密度为1.52g/cm3，流动性用霍尔漏斗测量为99.3s/50g，符合PS-PVD设备的要求，粉末粒径为1～30μm。
步骤六：低温热处理：将步骤五所得粉末进行低温热处理，目的是去除粘结剂以及填料，即可得到适合等离子物理气相沉积用多孔锆酸钆粉末。
所述低温热处理是指在温度为400℃，保温时间为4h后随炉冷却。
步骤七：PS-PVD制备锆酸钆热障涂层，使用METCO的PS-PVD设备，喷枪功率为65kw，在距离喷枪1m的位置，在真空度为2mbar的条件下，载气为10L/min，进行喷涂实验，得到锆酸轧热障涂层。
如图1所示，上述制备得到的多孔锆酸钆粉末，平均粒径分布在14～16μm，粉末内部孔洞细小，并且不规则分布，粉末的颗粒表面呈现多孔结构，根据计算孔隙率达到15％，是填料气化的结果。该粉末经过喷枪的过程中粉末破碎明显，通过实验测得为10～12μm，故其压溃强度较低。如图2所示为PS-PVD喷涂锆酸钆热障涂层的XRD图，成分基本没有偏差，所得涂层为单相烧绿石结构，符合化学计量比。如图3所示为PS-PVD喷涂锆酸钆热障涂层的SEM图，显示为柱状晶结构，明显为气相沉积状态，说明该粉末与等离子束流进行了充分的热交换，气化效果明显。如图4所示为PS-PVD喷涂5min所得的锆酸钆热障涂层的断面SEM图，所得柱状结构生长清晰，为大量气相沉积得到，可以计算出沉积效率高达10μm/min。表1为所得锆酸钆涂层的成分表，可以看出Gd：Zr的原子比为1：1，符合化学计量比。
表1为实施例1所得锆酸钆PS-PVD喷涂热障涂层成分
Figure BDA0001672698620000061
实施例2：
步骤一：第一次球磨：将氧化镧与氧化锆按照摩尔比1.15：2混合，所用氧化物(氧化锆、氧化镧)的纯度>99.9％，粒径为5～7μm。将混合粉末加入球磨罐内，并加入酒精和氧化锆磨球，混合粉末、氧化锆磨球和酒精进行混合，混合质量比为1：2：2，进行第一次球磨。球磨机转速400r/min，球磨时间为18h，得到第一悬浊液。
步骤二：烧结成相：将步骤一所述第一悬浊液(用激光粒度测试仪测得其粒度为0.7～3μm)放入烘箱内进行干燥：温度为80℃，时间为8h；将干燥所得的粉末放入高温箱式炉进行烧结，得到烧绿石结构。烧结温度为1550℃，时间为10h；
步骤三：加入填料后第二次球磨：将步骤二所得烧绿石结构粉末、氧化锆磨球与酒精按质量比1：1：2混合均匀；加入聚碳酸酯(PC)作为造孔材料，进行第二次球磨；第二次球磨转速400r/min，球磨时间12h，混合均匀，第二次球磨后得到第二悬浊液，用激光粒度测试仪测得该步骤所得悬浊液的粒度为(0.7～1μm)。所述填料体积分数为烧绿石结构粉末的20％，所得浆料的固含量为20％。填料的粒径在5～7微米，形状为多边形。
步骤四：喷雾造粒：将第三步所得第二悬浊液放入搅拌池中，并且加入1.7wt.％(第二悬浊液的质量)的粘结剂，进行搅拌，料浆粘度为180mPa*S。利用上述浆料，采用压力式雾化器进行团聚造粒，并在干燥塔中进行干燥，料浆进口温度为270℃，制成微米团聚型球形粉末。
步骤五：筛分配级：将步骤四所得微米团聚型球形粉末过筛。
最终所得粉末的性质：D50在10～20μm之间，松装密度为1.30g/cm3，振实密度为1.42g/cm3，流动性用霍尔漏斗测量为100s/50g，符合PS-PVD设备的要求，粉末粒径为1～35μm。
步骤六：低温热处理：将步骤五所得粉末进行低温热处理，目的是去除粘结剂以及填料，即可得到适合等离子物理气相沉积用多孔锆酸镧粉末。
所述低温热处理是指在温度为600℃，保温时间为4h后随炉冷却。
上述制备得到的多孔锆酸镧粉末，平均粒径分布在12-14μm，粉末内部空洞细小，并且不规则分布，粉末的颗粒表面呈现多孔结构，根据计算孔隙率达到18％，是填料气化的结果。该粉末经过喷枪的过程中粉末破碎明显，通过实验测得为8～10μm，故其压溃强度较低。根据XRD分析，粉末成分基本没有偏差，所得涂层为单相烧绿石结构，符合化学计量比。根据PS-PVD喷涂锆酸钆热障涂层的SEM图显示，涂层为柱状晶结构，明显为气相沉积状态，说明该粉末与等离子束流进行了充分的热交换，气化效果明显。从断面可以看出所得柱状结构生长清晰，为大量气相沉积得到，可以计算出沉积效率高达12μm/min。根据EPMA扫描成分得到锆酸钆涂层的成分表，可以看出La：Zr的原子比为1：1，符合化学计量比。
实施例3：
步骤一：第一次球磨：将氧化钆与氧化锆与氧化镱按照摩尔比1.1：2：0.88混合，所用氧化物(氧化锆、氧化钆、氧化镱)的纯度>99.9％，粒径在5～9μm。将混合粉末加入球磨罐内，并加入酒精和氧化锆磨球，混合粉末、氧化锆磨球和酒精进行混合，混合质量比为1：1.5：3，进行第一次球磨。球磨机转速300r/min，球磨时间为36h，得到第一悬浊液。
步骤二：烧结成相：将步骤一所述第一悬浊液(用激光粒度测试仪测得其粒度为0.7～1μm)放入烘箱内进行干燥：温度为80℃，时间为8h；将干燥所得的粉末放入高温箱式炉进行烧结，得到烧绿石结构。烧结温度为1600℃，时间为15h；
步骤三：加入填料后第二次球磨：将步骤二所得烧绿石结构粉末、氧化锆磨球与酒精按质量比1：1：3混合均匀；加入聚碳酸酯(PC)作为造孔材料，进行第二次球磨；第二次球磨转速300r/min，球磨时间12h，混合均匀，第二次球磨后得到第二悬浊液，用激光粒度测试仪测得该步骤所得悬浊液的粒度为(0.7～1μm)。所述填料体积分数为烧绿石结构粉末的30％，填料的粒径在5～7微米，形状为多边形。所得浆料固含量为30％。
步骤四：喷雾造粒：将第三步所得第二悬浊液放入搅拌池中，并且加入1.5wt.％(第二悬浊液的质量)的粘结剂，进行搅拌，料浆粘度为140mPa*S。利用上述浆料，采用压力式雾化器进行团聚造粒，并在干燥塔中进行干燥，料浆进口温度为273℃，制成微米团聚型球形粉末。
步骤五：筛分配级：将步骤四所得微米团聚型球形粉末过筛。
最终所得粉末的性质：D50在12μm，松装密度为1.35g/cm3，振实密度为1.53g/cm3，流动性用霍尔漏斗测量为120s/50g，符合PS-PVD设备的要求，粉末粒径为1～35μm。
步骤六：低温热处理：将步骤五所得粉末进行低温热处理，目的是去除粘结剂以及填料，即可得到适合等离子物理气相沉积用多孔粉末。
所述低温热处理是指在温度为600℃，保温时间为2h后随炉冷却。
上述制备得到的多孔锆酸镧粉末，平均粒径分布在13-17μm，粉末内部空洞细小，并且不规则分布，粉末的颗粒表面呈现多孔结构，根据计算孔隙率达到20％，是填料气化的结果。该粉末经过喷枪的过程中粉末破碎明显，通过实验测得为10～12μm，故其压溃强度较低。根据XRD分析，粉末成分基本没有偏差，所得涂层为单相烧绿石结构，符合化学计量比。根据PS-PVD喷涂锆酸钆热障涂层的SEM图显示，涂层为柱状晶结构，明显为气相沉积状态，说明该粉末与等离子束流进行了充分的热交换，气化效果明显。从断面可以看出所得柱状结构生长清晰，为大量气相沉积得到，可以计算出沉积效率高达13μm/min。根据EPMA扫描成分得到锆酸钆涂层的成分表，可以看出Gd：Yb：Zr的原子比为0.9：0.1：1，符合化学计量比。

Claims (2)

1.一种等离子物理气相沉积热障涂层用多孔稀土锆酸盐粉末的制备方法，包括以下步骤：
第一步，第一次球磨：
将稀土氧化物与氧化锆粉末按照化学计量比的涂层成分混合，得到混合粉末；加入球磨罐内，并加入溶剂介质A；在球磨罐内加入氧化锆磨球，进行第一次球磨；球磨机转速300～400r/min，球磨时间为18～36h，制成第一悬浊液；
所述溶剂介质A为水、酒精、丙酮溶剂中的任意一种；
第二步，烧结成相：
第三步，加入填料后第二次球磨：将第二步所得烧绿石或萤石结构的粉末、氧化锆磨球和溶剂介质B进行混合；再加入填料进行第二次球磨；第二次球磨转速300～400r/min，球磨时间12h混合均匀，第二次球磨后得到第二悬浊液；
所述溶剂 介质B为水、酒精、丙酮溶剂中的任意一种；
第四步，喷雾造粒：将第三步所得第二悬浊液放入搅拌池中，并且加入粘结剂，进行搅拌，得到浆料；利用所述浆料，采用压力式雾化器进行团聚造粒，并在干燥塔中进行喷雾干燥，干燥后得到微米团聚型球形粉末；
所述喷雾干燥方式为：压力式雾化器、气流式雾化器或离心式喷雾干燥器中的一种；
第五步，筛分配级：将第四步所得微米团聚型球形粉末过筛；
最终所得粉末满足：D50在10～20μm之间，松装密度为1.25～1.45g/cm3，振实密度为1.52～1.60g/cm3，流动性用霍尔漏斗测量为99～120s/50g，符合PS-PVD设备的要求；
第六步，低温热处理：将第五步所选取的粉末进行低温热处理，目的是去除粘结剂以及填料，即得到等离子物理气相沉积热障涂层用多孔稀土锆酸盐粉末；
其特征在于：
在第一步中，混合粉末、氧化锆磨球和溶剂介质A的混合质量比为1：(1～2)：(1～3)；
所述稀土氧化物与氧化锆粉末的粒度分布在5～7μm，第一次球磨完毕之后粉末粒度≤1μm；
在第二步的烧结成相中是将第一步球磨后的得到的第一悬浊液放入烘箱内进行干燥：温度为80℃，时间为8～10h；将干燥后所得的粉末放入高温箱式炉进行烧结，得到烧绿石或萤石结构的粉末；
所述烧结的温度为1200～1600℃，烧结时间为5～15h；
在第三步中，将第二步所得烧绿石或萤石结构的粉末、氧化锆磨球和溶剂介质B进行混合，混合质量比为1：1：(1～3)；
所述填料为聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、石墨或活性炭中的一种或两种以上，加入量为烧绿石或萤石结构粉末体积的3％～45％；填料的粒径在5～7微米，形状为多边形；
在第四步中，在干燥塔中进行喷雾干燥，浆料进口温度不超过280℃；
所述粘结剂为聚乙烯醇、聚苯乙烯或羟甲基纤维素中的任意一种，粘结剂的加入量为所述第二悬浊液质量的1～2wt.％；
在第六步中，低温热处理是指在温度为400～800℃，保温时间为2～4h后随炉冷却；
制得的多孔稀土锆酸盐粉末的粒径为1～30μm，D50在10～20μm之间，松装密度为1.25～1.45g/cm3，振实密度为1.52～1.60g/cm3，流动性用霍尔漏斗测量为99～120s/50g，符合PS-PVD设备的要求。
2.根据权利要求1所述的一种等离子物理气相沉积热障涂层用多孔稀土锆酸盐粉末的制备方法，其特征在于：制得的多孔稀土锆酸盐粉末内部孔洞细小，并且不规则分布，粉末的颗粒表面呈现多孔结构，根据计算孔隙率达到15％，是填料气化的结果。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109534394B (zh) * 2018-12-22 2020-10-16 北京金轮坤天特种机械有限公司 一种基于目标涂层相结构和短流程等离子物理气相沉积热障涂层喷涂粉末制备方法
CN112537959A (zh) * 2020-12-15 2021-03-23 辽宁省轻工科学研究院有限公司 等离子物理气相沉积用陶瓷粉末的制备方法
CN115894034A (zh) * 2022-12-08 2023-04-04 北京航空航天大学 铬碳化铝陶瓷的制备方法、铬碳化铝陶瓷和应用
CN115925419B (zh) * 2022-12-16 2024-04-12 辽宁省轻工科学研究院有限公司 一种纳米结构稀土掺杂锆酸镧热障涂层材料及制备方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104891990A (zh) * 2015-05-08 2015-09-09 清华大学 共晶结构热障涂层材料及其可用于热喷涂的粉粒制造方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2194681C2 (ru) * 2000-06-15 2002-12-20 Российский химико-технологический университет им. Д.И.Менделеева Способ получения керамических изделий
CN101200375A (zh) * 2007-11-16 2008-06-18 北京矿冶研究总院 纳米含锆系列热障涂层材料制备方法
CN102070335B (zh) * 2009-11-25 2013-09-18 中国科学院上海硅酸盐研究所 一种烧绿石结构稀土锆酸盐材料及其制备方法与应用
CN102617182B (zh) * 2012-03-23 2014-03-12 清华大学 一种多级孔结构稀土锆酸盐多孔陶瓷及其制备方法
CN103469144B (zh) * 2013-08-23 2016-07-06 大连海事大学 一种高气孔率且具有等轴晶结构的热障涂层

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104891990A (zh) * 2015-05-08 2015-09-09 清华大学 共晶结构热障涂层材料及其可用于热喷涂的粉粒制造方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
先进陶瓷涂层结构调控及其在固体氧化物燃料电池中的应用;李成新等;《中国表面工程》;20170430;第30卷(第2期);第1-19页 *

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