CN111908921B

CN111908921B - 一种稀土钽酸盐RE3TaO7热障涂层及其制备方法

Info

Publication number: CN111908921B
Application number: CN202010889298.1A
Authority: CN
Inventors: 冯晶; 郑奇; 陈琳; 王一涛; 杨凯龙; 汪俊; 张志东; 李振军; 王峰
Original assignee: Shaanxi Tianxuan Coating Technology Co ltd; Kunming University of Science and Technology
Current assignee: Shaanxi Tianxuan Coating Technology Co ltd; Kunming University of Science and Technology
Priority date: 2020-08-28
Filing date: 2020-08-28
Publication date: 2021-09-14
Anticipated expiration: 2040-08-28
Also published as: CN111908921A

Abstract

本发明涉及热障涂层技术领域，具体公开了一种稀土钽酸盐(RE3TaO7)热障涂层及其制备方法，取两种以上不同稀土元素的钽酸盐陶瓷粉末混合成n份混合陶瓷粉体，n份混合陶瓷粉体中至少一种以上的钽酸盐陶瓷组份的体积分数为连续递增或递减的变化；将n份混合陶瓷粉体依次沉积到基体材料上得到多元梯度的稀土钽酸盐热障涂层。本专利中通过对两种以上不同稀土元素的钽酸盐陶瓷粉末进行设计，得到多元梯度涂层，即涂层中至少一种陶瓷组份的体积分数是在连续的递增或连续的递减变化，这样的方式能够保证热障涂层具备原本稀土钽酸盐(RE₃TaO₇)的高膨胀系数，同时其热导率也大幅度的下降。

Description

一种稀土钽酸盐RE3TaO7热障涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及热障涂层技术领域，特别涉及一种稀土钽酸盐RE₃TaO₇热障涂层及其制备方法。

背景技术

热障涂层是利用陶瓷的隔热和抗腐蚀性特点来保护基体材料，在航空、航天、舰船、武器等方面有着重要的应用价值。目前，广泛使用的热障涂层材料主要为6%-8%的氧化钇稳定氧化锆 (6-8 YSZ) 和锆酸镧 (La₂Zr₂O₇)，这两种陶瓷均有一定程度的不足：6-8YSZ的使用温度较低(≤ 1200 °C)，热导率也较高(约2.5W·m^-1·K^-1，900°C)，La₂Zr₂O₇则有着热膨胀系数较低的问题，随着发动机和燃气轮机高推重比，高出口温度的未来发展需要，寻找新型热障涂层材料迫在眉睫。

经哈佛大学Clarke教授课题组同加州大学圣巴巴拉分校的Levi教授等共同研究，通过理论计算提出了钽酸钇陶瓷(YTaO₄)有望作为新一代热障涂层材料，作为同一系列的RE₃TaO₇陶瓷的热物理和力学性能也相继得到关注，Li Chen 等人制备了稀土钽酸盐(RE₃TaO₇) 致密块体试样的并对其热力学性质等方面进行了研究，而对该材料在热障涂层领域的使用目前处于研究状态中，而要如何最大化的体现出稀土钽酸盐(RE₃TaO₇)对基体合金的保护作用依旧是当前研究的重点。

发明内容

本发明提供了一种稀土钽酸盐RE₃TaO₇热障涂层及其制备方法，以得到热导率更低，符合热障涂层高温环境使用需求的稀土钽酸盐RE₃TaO₇热障涂层。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种稀土钽酸盐RE₃TaO₇热障涂层，该涂层为多元梯度涂层，包括两种以上不同稀土钽酸盐RE₃TaO₇陶瓷组份，且至少有一种以上的陶瓷组份的体积分数沿涂层梯度连续递增或递减的变化。

本技术方案的技术原理和效果在于：

1、本方案中通过对两种以上不同稀土元素的钽酸盐陶瓷粉末进行设计，得到多元梯度涂层，即涂层中至少一种陶瓷组份的体积分数是在连续的递增或连续的递减变化，这样的方式能够保证热障涂层具备原本稀土钽酸盐RE₃TaO₇的高膨胀系数，同时其热导率也大幅度的下降，通过实验检测得到热导率未超过1.15W·m^-1·K^-1，满足热障涂层对低热导率的需求。

2、本方案中能够得到低热导率的多元梯度陶瓷涂层，其原因在于，各梯度涂层之间成分呈渐变的形式，这样各梯度涂层之间形成的界面少，使得界面效应弱，同时最重要的一点在于，在各梯度涂层沉积过程中，每一层的成分还会不断的扩散，使得界面效应继续减弱，从而使得热导率下降。

进一步，所述多元梯度涂层的厚度为150~300μm。

有益效果：通过实验证明，多元梯度涂层的厚度设定为150~300μm，得到的热障涂层热导率较低。

进一步，所述多元梯度涂层的梯度层数n为6~21层。

有益效果：通过实验证明，多元梯度涂层的梯度层数设置为6~21层，既满足了各梯度层之间成分的扩散效果，又符合实际的沉积工艺难度。

进一步，稀土钽酸盐粉体的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：按照结构式为RE₃TaO₇取RE₂O₃粉末溶入浓硝酸中，使pH值低于1.5，将TaOCl₃溶液逐滴加入，并不断搅拌，同时加入氨水使体系pH稳定在9~10，在水浴环境内继续搅拌，用无水乙醇或去离子水先后洗涤沉淀，直至pH=7，将得到的滤饼置于烘箱内烘干，然后过筛并在中温环境下进行烧结，将烧结后的粉末再次过筛备用；

步骤2：将步骤1所制备的粉末与其质量不低于30wt.%的水混合获得浆料A，将浆料A与粘结剂以及聚乙二醇、正辛醇、增粘剂和增孔剂混合获得浆料B，再将浆料B送入离心喷雾干燥机对其进行离心喷雾造粒，得到粉体颗粒尺寸为30-70μm的球形稀土钽酸盐粉末。

有益效果：采用本方法制备稀土钽酸盐陶瓷粉体，不仅耗时少，且纯度高，制备的稀土钽酸盐RE₃TaO₇粉末成相完全，成分均匀，粉末损耗量小。

进一步，所述步骤1中TaOCl₃溶液滴加速度为200~400 mL/min，水浴温度为50~100°C，搅拌时间为30~120 min，烘干温度为80~120°C，时间为5~10 h；中温烧结温度为900-1100°C，时间为3-5 h，所用筛子为300~500目。

有益效果：上述参数设定能够满足水浴法制备陶瓷粉体的要求。

进一步，步骤2中，粘结剂含量为0.5~3wt.%，添加剂含量为0.1~1wt.%，浆料B的进料速度控制在300~500 mL/h，喷雾离心速度为8000~10000 r/min。

有益效果：这样的参数下保证得到的粉末成分均匀。

本申请还公开了一种稀土钽酸盐RE₃TaO₇热障涂层的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：取两种以上不同稀土元素的钽酸盐陶瓷粉末混合成n份混合陶瓷粉体，n份混合陶瓷粉体中至少一种以上的钽酸盐陶瓷组份的体积分数为连续递增或递减的变化；

步骤2：将步骤1得到的n份混合陶瓷粉体依次沉积到基体材料上得到多元梯度的稀土钽酸盐热障涂层。

有益效果：采用上述工艺得到的热障涂层具备多元梯度特征。

进一步，所述步骤2中在基体材料表面预先沉积厚度为100~150μm的金属粘结层，金属粘结层的成分为MCrAlY，其中M为Ni或Co。

有益效果：金属粘接层的设置能够提高稀土钽酸盐与基体材料之间的粘接性。

进一步，所述步骤2中采用APS、HVOF、EB-PVD或者超音速电弧喷涂法进行涂层沉积处理。

有益效果：上述几种涂层的制备工艺均为现有比较成熟的工艺，可根据具体的生产环境进行选择。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

实施例1：

一种稀土钽酸盐RE₃TaO₇热障涂层，该涂层为多元梯度涂层，包括两种不同稀土钽酸盐陶瓷组份，分别为Y₃TaO₇和Gd₃TaO₇，两种稀土钽酸盐陶瓷粉末的体积分数配比如下表1所示。

上述稀土钽酸盐陶瓷粉末的制备方法，以制备Gd₃TaO₇为例，包括以下步骤：

步骤1：按照Gd₃TaO₇的结构式将Gd₂O₃溶入浓硝酸中进行反应，并将pH调至1左右，然后将制备好的TaOCl₃溶液逐滴加入(滴加速度为200mL /min)，不停的搅拌，同时加入氨水使体系pH稳定在9~10，搅拌1小时后，在60°C水浴环境内继续搅拌120 min，然后用去离子水不断洗涤沉淀，直至pH=7，将得到的滤饼置于120°C烘箱内烘干5h，然后过300目筛并在900°C进行5 h烧结，将烧结后的粉末再次过500目筛备用。

步骤2：将步骤1所制备的粉末与其质量30wt.%的水混合获得浆料A，将浆料A与粉末质量分数为0.5%的粘结剂以及0.2%的聚乙二醇、0.1%正辛醇和0.1%增孔剂均匀混合获得浆料B，然后将浆料B送入离心喷雾干燥机对其进行离心喷雾造粒，干燥气体为N₂，进料速度控制在350 mL/h，离心速度为9000 r/min，喷雾干燥机的进口和出口温度分别为 350°C和170 °C，即可获得粉体颗粒尺寸介于20-80 μm的稀土钽酸盐（Gd₃TaO₇）球形粉末。

上述稀土钽酸盐RE₃TaO₇热障涂层的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：取上述方法制备的Y₃TaO₇和Gd₃TaO₇粉末按照表1所示混合成6份混合陶瓷粉体。

步骤2：将基体材料（本实施例中镍基高温合金）进行表面粗糙化处理，再在其表面预先沉积厚度为100μm的金属粘结层，金属粘结层的成分为NiCrAlY，采用APS方法将步骤1得到的6份混合陶瓷粉体依次沉积到金属粘接层上得到多元梯度的稀土钽酸盐热障涂层，该涂层的厚度为150μm。

表1为实施例1中Y3TaO7和Gd3TaO7的体积分数表

梯度层数n	Y3TaO7体积分数（%）	Gd3TaO7体积分数（%）
			1	100	0
2	80	20
			3	60	40
4	40	60
			5	20	80
6	0	100

实施例2：

与实施例1的区别在于，参照表2所示，梯度层数n=11，稀土钽酸盐涂层的厚度为200μm，各梯度层中Y₃TaO₇和Gd₃TaO₇的体积分数见下表2所示。

表2为实施例2各梯度层中Y3TaO7和Gd3TaO7的体积分数表

梯度层数n	Y3TaO7体积分数（%）	Gd3TaO7体积分数（%）
			1	100	0
2	90	10
			3	80	20
4	70	30
			5	60	40
6	50	50
			7	40	60
8	30	70
			9	20	80
10	10	90
			11	0	100

实施例3：

与实施例1的区别在于，参照表3所示，陶瓷涂层的梯度层数n=21，稀土钽酸盐涂层的厚度为300μm，各梯度层中Y₃TaO₇和Gd₃TaO₇的体积分数见下表3所示。

表3为实施例3各梯度层中Y3TaO7和Gd3TaO7的体积分数表

梯度层数n	Y3TaO7体积分数（%）	Gd3TaO7体积分数（%）
			1	100	0
2	95	5
			3	90	10
4	85	15
			5	80	20
6	75	25
			7	70	30
8	65	35
			9	60	40
10	55	45
			11	50	50
12	45	55
			13	40	60
14	35	65
			15	30	70
16	25	75
			17	20	80
18	15	85
			19	10	90
20	5	95
			21	0	100

实施例4：

与实施例2的区别在于，本实施例中还包括采用实施例1的方法制备的Lu₃TaO₇粉体和Sc₃TaO₇粉体，梯度层数n=11，稀土钽酸盐涂层的厚度为200μm，各梯度层中Y₃TaO₇、Gd₃TaO₇、Lu₃TaO₇和Sc₃TaO₇的体积分数见下表4所示。

表4为实施例4各梯度层中各陶瓷组份的体积分数（%）

梯度层数n	Y3TaO7	Gd3TaO7	Lu3TaO7	Sc3TaO7
					1	50	0	50	0
2	45	5	45	5
					3	40	10	40	10
4	35	15	35	15
					5	30	20	30	20
6	25	25	25	25
					7	20	30	20	30
8	15	35	15	35
					9	10	40	10	40
10	5	45	5	45
					11	0	50	0	50

对比例1：

与实施例1的区别在于，对比例1中稀土钽酸盐陶瓷粉末采用球磨后高温烧结而成。

对比例2：

与实施例1的区别在于，步骤2中先将Y₃TaO₇粉末采用APS方法沉积到金属粘接层上得到涂层A，再将Gd₃TaO₇粉末采用APS方法沉积到涂层A上得到涂层B，涂层A与涂层B的总厚度为150μm。

选取实施例1~4、对比例1~2得到的材料试件进行热导率实验检测：

采用激光热导仪进行测试，在800K温度时，测试结果如下表5所示：

表5为实施例1~4与对比例1~2的热导率

	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	对比例1	对比例2
							热导率（W·m-1·K-1）	1.13	1.11	1.07	1.10	1.25	1.72

从上表5可以得出：

1、采用本申请中的技术方案得到的陶瓷涂层，其热导率未超过1.15 W·m^-1·K^-1，满足热障涂层对低热导率的需求，而通过对比例可以看出，未进行成分设计的陶瓷涂层，其热导率明显偏高，而采用高温烧结得到的稀土钽酸盐粉体虽热导率满足热障涂层的需求，但仍然要高于本申请中采用共沉淀法制备的陶瓷粉末。

2、通过对不同稀土元素的钽酸盐陶瓷粉末进行设计，得到多元梯度涂层，即涂层中至少一种陶瓷组份的体积分数是在连续变化，这样的方式能够保证热障涂层具备原本稀土钽酸盐（RE₃TaO₇）的高膨胀系数，同时其热导率也大幅度的下降，原因在于采用这样的方式进行沉积得到的热障涂层，各梯度涂层之间成分呈渐变的形式，各梯度涂层之间形成的界面少，使得界面效应弱，同时最重要的一点在于，在各梯度涂层沉积过程中，每一层的成分还会不断的扩散，使得界面效应继续减弱，从而使得热导率下降，而本申请中实施例3的热导率最低，说明梯度层数越高，对热导率的改善越显著。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体材料及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims

1.一种稀土钽酸盐RE₃TaO₇热障涂层，其特征在于：该涂层为多元梯度涂层，包括两种以上不同稀土钽酸盐RE₃TaO₇陶瓷组份，且至少有一种以上的陶瓷组份的体积分数沿涂层梯度连续递增或递减的变化；所述多元梯度涂层的厚度为150~300μm；稀土钽酸盐粉体的制备方法，包括以下步骤：

步骤2：将步骤1所制备的粉末与其质量不低于30wt.%的水混合获得浆料A，将浆料A与粘结剂以及聚乙二醇、正辛醇、增粘剂和增孔剂混合获得浆料B，再将浆料B送入离心喷雾干燥机对其进行离心喷雾造粒，得到粉体颗粒尺寸为30-70μm的球形稀土钽酸盐粉末；

所述步骤1中TaOCl₃溶液滴加速度为200~400 mL/min，水浴温度为50~100℃ ，搅拌时间为30~120 min，烘干温度为80~120℃ ，时间为5~10 h；中温烧结温度为900-1100℃ ，时间为3-5 h，所用筛子为300~500目。

2.根据权利要求1所述的一种稀土钽酸盐RE₃TaO₇热障涂层，其特征在于：所述多元梯度涂层的梯度层数n为6~21层。

3.根据权利要求2所述的一种稀土钽酸盐RE₃TaO₇热障涂层，其特征在于：步骤2中，粘结剂含量为0.5~3wt.%，添加剂含量为0.1~1wt.%，浆料B的进料速度控制在300~500 mL/h，喷雾离心速度为8000~10000 r/min。

4.一种制备如权利要求2所述的稀土钽酸盐RE₃TaO₇热障涂层的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤2：将步骤1得到的n份混合陶瓷粉体依次沉积到基体材料上得到多元梯度的稀土钽酸盐热障涂层；

所述步骤2中采用APS、HVOF、EB-PVD或者超音速电弧喷涂法进行涂层沉积处理。

5.根据权利要求4所述的一种稀土钽酸盐RE₃TaO₇热障涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤2中在基体材料表面预先沉积厚度为100~150μm的金属粘结层，金属粘结层的成分为MCrAlY，其中M为Ni或Co。