CN116143530A - 镱掺杂锆铈酸钐热障涂层材料及其制备方法与应用 - Google Patents

镱掺杂锆铈酸钐热障涂层材料及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种镱掺杂锆铈酸钐热障涂层材料及其制备方法与应用。本发明首先以Yb2O3、Sm2O3、ZrO2以及CeO2粉末原料按照配比球磨混合，随后通过高温固相反应法合成(Sm1‑ xYbx)2(Zr0.7Ce0.3)2O7粉末，其中0.1≤x≤0.3，并通过干压成型以及高温烧结获得(Sm1‑xYbx)2(Zr0.7Ce0.3)2O7致密陶瓷材料。本发明采用镱稀土元素掺杂锆酸盐，通过干压成型、高温烧结得到一类新型热障涂层材料镱掺杂锆铈酸钐(Sm1‑ xYbx)2(Zr0.7Ce0.3)2O7，(Sm1‑xYbx)2(Zr0.7Ce0.3)2O7材料较Sm2(Zr0.7Ce0.3)2O7材料具有更高的键强，降低了CMAS中Ca离子与稀土离子的化学亲和性，并且在1300℃长期CMAS腐蚀后，大量形成有效阻碍CMAS渗入的磷灰石相，具有优异的抗CMAS腐蚀性能，将会提升热障涂层在苛刻涡轮服役环境中的抗腐蚀能力。

Description

镱掺杂锆铈酸钐热障涂层材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于航空发动机热障涂层材料技术领域，具体涉及一种镱掺杂锆铈酸钐热障涂层材料及其制备方法与应用。
背景技术
热障涂层技术已成为高温合金构件表面应用最为广泛的高温防护手段，但随着航空发动机向更高推重比、更低油耗特性发展，其涡轮前进口温度的不断提升，显著增强火山灰、沙砾等熔融沉积物介质(CaO-MgO-Al2O3-SiO2, CMAS)在涡轮焰流冲蚀涂层过程中的渗透与腐蚀能力。然而，目前热门的锆酸盐热障涂层在CMAS腐蚀过程中难以避免地产生溶解、相变、热应力开裂甚至剥落失效。因此，涡轮环境中的CMAS介质给航空发动机在更高温度下的服役造成极大安全隐患，亟需研发抗CMAS腐蚀性能优异涂层材料体系。
Sm2(Zr0.7Ce0.3)2O7锆铈酸钐材料具有熔点高、热导率低、热稳定性良好等优点，被认为是最具潜力的热障涂层候选材料之一。虽然Sm2(Zr0.7Ce0.3)2O7对CMAS腐蚀具备一定的化学惰性，但随着航空发动机承温度的不断提高，其抗CMAS腐蚀性能仍有待进一步的提升。近年来的诸多研究表明，小离子半径的稀土元素掺杂不仅可以改善热障涂层材料的力学与热物理性能，还可降低CMAS介质与稀土锆酸盐的化学亲和性，有利于提高航空发动机热障涂层的服役温度以及寿命。
因此，针对热障涂层抗CMAS腐蚀性能不足难题，研发制备工艺简单、抗CMAS腐蚀性能优异的稀土改性Sm2(Zr0.7Ce0.3)2O7热障涂层材料具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是在于克服现有技术中存在的不足，提供了一种镱掺杂锆铈酸钐热障涂层材料及其制备方法与应用。本发明制备的镱掺杂锆铈酸钐热障涂层材料能够用于制备航空发动机热障涂层，以解决锆酸盐热障涂层材料抗CMAS性能不足等难题。
为实现以上技术目的，本发明实施例采用的技术方案是：
第一方面，本发明实施例提供了一种镱掺杂锆铈酸钐热障涂层材料，所述涂层材料为单相缺陷萤石型结构，微观形貌平整，相对密度达到95.43%~96.89%，所述涂层材料的化学式记为(Sm1-xYbx)2(Zr0.7Ce0.3)2O7，其中x的数值范围为0.1~0.3。
进一步地，n(Yb)：n(Sm)：n(Zr)：n(Ce)=x：(1-x)：0.7：0.3，其中0.1≤x≤0.3。
第二方面，本发明实施例提供了一种镱掺杂锆铈酸钐热障涂层材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤S1. 根据镱掺杂锆铈酸钐热障涂层材料中元素的摩尔比计算氧化物的用量，称取对应量的Yb2O3粉末、Sm2O3粉末、CeO2粉末以及ZrO2粉末，并将这四种粉末依次倒入球磨罐中，再加入无水乙醇，使得混合粉末充分溶解；
步骤S2. 将球磨罐放入行星球磨机中球磨，得到均匀的混合溶液；
步骤S3. 将混合溶液经过干燥、高温固相反应，得到粉末；
步骤S4. 将步骤S3得到的粉末经过研磨、过筛、PVA造粒、干压成型、排胶、高温烧结处理后，得到化学式为(Sm1-xYbx)2(Zr0.7Ce0.3)2O7的镱掺杂锆铈酸钐热障涂层材料。
进一步地，步骤S1中所述Yb2O3粉末、Sm2O3粉末、CeO2粉末以及ZrO2粉末的纯度均≥99.99%。
进一步地，步骤S2中所述球磨的转速为450-550 rpm，时间为15-16 h。
进一步地，步骤S3中的干燥温度为80-100℃，时间为10-12 h，高温固相反应温度为1450-1500℃，时间为4-5 h。
进一步地，步骤S4中过筛的目数为200目，干压成型的第一次加压为180-200 MPa，时间为60-70 s，第二次加压为160-170 MPa，时间为30-35 s，排胶的温度为500-550℃，时间为2-3 h，烧结温度为1450-1500℃，时间为5-6 h。
第三方面，本发明实施例提供了上述制备方法制得的镱掺杂锆铈酸钐热障涂层材料用于制备航空发动机热端构件表面的热障涂层，所述热障涂层具有抗CMAS腐蚀性能。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
本发明采用镱稀土元素掺杂锆酸盐，通过干压成型、高温烧结得到一类新型热障涂层材料镱掺杂锆铈酸钐(Sm1-xYbx)2(Zr0.7Ce0.3)2O7， (Sm1-xYbx)2(Zr0.7Ce0.3)2O7材料较Sm2(Zr0.7Ce0.3)2O7材料具有更高的键强，降低了CMAS中Ca离子与稀土离子的化学亲和性，并且在1300℃长期CMAS腐蚀后，大量形成有效阻碍CMAS渗入的磷灰石相，具有优异的抗CMAS腐蚀性能，将会提升热障涂层在苛刻涡轮服役环境中的抗腐蚀能力。
附图说明
图1为本发明实施例1-3与对比例1所制备的(Sm1-xYbx)2(Zr0.7Ce0.3)2O7陶瓷材料的XRD示意图。
图2为实施例1-3与对比例1的表面微观形貌示意图：(A)实施例1；(B)实施例2；(C)实施例3；(D)对比例1。
图3为实施例1经过CMAS腐蚀后的表面与截面形貌：(A)腐蚀5小时后表面形貌；(B)腐蚀10小时后表面形貌；(C)腐蚀20小时后表面形貌；(D)腐蚀5小时后截面形貌；(E)腐蚀10小时后截面形貌；(F) 腐蚀20小时后截面形貌。
图4为实施例2经过CMAS腐蚀后的表面与截面形貌：(A)腐蚀5小时后表面形貌；(B)腐蚀10小时后表面形貌；(C)腐蚀20小时后表面形貌；(D)腐蚀5小时后截面形貌；(E)腐蚀10小时后截面形貌；(F) 腐蚀20小时后截面形貌。
图5为实施例3经过CMAS腐蚀后的表面与截面形貌：(A)腐蚀5小时后表面形貌；(B)腐蚀10小时后表面形貌；(C)腐蚀20小时后表面形貌；(D)腐蚀5小时后截面形貌；(E)腐蚀10小时后截面形貌；(F) 腐蚀20小时后截面形貌。
图6为对比例1经过CMAS腐蚀后的表面与截面形貌：(A)腐蚀5小时后表面形貌；(B)腐蚀10小时后表面形貌；(C)腐蚀20小时后表面形貌；(D)腐蚀5小时后截面形貌；(E)腐蚀10小时后截面形貌；(F) 腐蚀20小时后截面形貌。
具体实施方式
如图1-6所示，本发明提供了一种镱掺杂锆铈酸钐热障涂层材料，涂层材料为单相缺陷萤石型结构，微观形貌平整，相对密度达到95.43%~96.89%，所述涂层材料的化学式记为(Sm1-xYbx)2(Zr0.7Ce0.3)2O7，其中，n(Yb)：n(Sm)：n(Zr)：n(Ce)=x：(1-x)：0.7：0.3，0.1≤x≤0.3。
以Yb2O3粉末、Sm2O3粉末、CeO2粉末以及ZrO2粉末为原料，通过高温固相反应法制备出所需的镱掺杂锆铈酸钐热障涂层材料粉体，并通过干压成型以及高温烧结获得致密的镱掺杂锆铈酸钐热障涂层材料。
镱掺杂锆铈酸钐热障涂层材料中所采用Sm2O3粉末、Yb2O3粉末、CeO2粉末以及ZrO2粉末纯度均≥99.99%。
镱掺杂锆铈酸钐热障涂层材料在1300℃下抗CMAS腐蚀的抗腐蚀性能优异。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种镱掺杂锆铈酸钐热障涂层材料的制备方法，包括以下步骤：
1）首先根据n(Yb)：n(Sm)：n(Zr)：n(Ce)=0.1：0.9：0.7：0.3的摩尔比计算氧化物的用量，然后称取所需量的Yb2O3粉末、Sm2O3粉末、ZrO2粉末以及CeO2粉末，将这四种粉末依次倒入球磨罐中，再倒入无水乙醇使粉末溶解；
所采用Yb2O3粉末、Sm2O3粉末、ZrO2粉末以及CeO2粉末纯度均≥99.99%。
2）将球磨罐放入行星球磨机中球磨，球磨转速为500 rpm，时间为16 h，得到均匀的混合溶液；
3）将得到的混合溶液经过干燥，放入马弗炉进行高温固相反应后得到所需的(Sm0.9Yb0.1)2(Zr0.7Ce0.3)2O7陶瓷粉体；
干燥温度为80 ℃，时间为12 h；高温固相反应温度为1500 ℃，时间为4 h。
4）将得到的陶瓷粉体经过研磨、过筛、PVA造粒以及干压成型，再通过马弗炉进行排胶、烧结后得到所需的(Sm0.9Yb0.1)2(Zr0.7Ce0.3)2O7陶瓷块材。
PVA浓度为5%，目的是增强陶瓷粉末的可塑性，达到造粒效果。过筛的目数为200目，干压成型的一次加压为200 MPa，时间为60 s，二次加压为160 MPa，时间为30 s，排胶温度550 ℃，时间为2 h，烧结温度为1500 ℃，时间为5 h。
CMAS腐蚀试验：将制备的(Sm0.9Yb0.1)2(Zr0.7Ce0.3)2O7陶瓷块材表面抛光，并按30mg/cm2的密度均匀地将33CaO-9MgO-7Al2O3-45SiO2（CMAS）粉末涂敷在样品表面。随后一并放入加热到1300℃的马弗炉中，分别加热5 h、10 h和20 h，通过SEM观察CAMS腐蚀样品情况。
实施例2
一种镱掺杂锆铈酸钐热障涂层材料的制备方法，包括以下步骤：
1）首先根据n(Yb)：n(Sm)：n(Zr)：n(Ce)=0.2：0.8：0.7：0.3的摩尔比计算氧化物的用量，然后称取所需量的Yb2O3粉末、Sm2O3粉末、ZrO2粉末以及CeO2粉末，将这四种粉末依次倒入球磨罐中，再倒入无水乙醇使粉末溶解；
所采用Yb2O3粉末，Sm2O3粉末ZrO2粉末以及CeO2粉末纯度均≥99.99%。
2）将球磨罐放入行星球磨机中球磨，球磨转速为500 rpm，时间为16 h，得到均匀的混合溶液；
3）将得到的混合溶液经过干燥，放入马弗炉进行高温固相反应后得到所需的(Sm0.8Yb0.2)2(Zr0.7Ce0.3)2O7陶瓷粉体；
干燥温度为80 ℃，时间为12 h，高温固相反应温度为1500 ℃，时间为4 h。
4）将得到的陶瓷粉体经过研磨、过筛、PVA造粒以及干压成型，再通过马弗炉进行排胶、烧结后得到所需的(Sm0.8Yb0.2)2(Zr0.7Ce0.3)2O7陶瓷块材。
步骤4）中PVA浓度为5%，目的是增强陶瓷粉末的可塑性，达到造粒效果。过筛的目数为200目，干压成型的一次加压为200 MPa，时间为60 s，二次加压为160 MPa，时间为30s，排胶温度为550 ℃，时间为2 h，烧结温度为1500 ℃，时间为5 h。
CMAS腐蚀试验：将制备的(Sm0.8Yb0.2)2(Zr0.7Ce0.3)2O7陶瓷块材表面抛光，并按30mg/cm2的密度均匀地将33CaO-9MgO-7Al2O3-45SiO2（CMAS）粉末涂敷在样品表面。随后一并放入加热到1300℃的马弗炉中，分别加热5 h、10 h和20 h，通过SEM观察CAMS腐蚀样品情况。
实施例3
一种镱掺杂锆铈酸钐热障涂层材料的制备方法，包括以下步骤：
1）首先根据n(Yb)：n(Sm)：n(Zr)：n(Ce)=0.3：0.7：0.7：0.3的摩尔比计算氧化物的用量，然后称取所需量的Yb2O3粉末、Sm2O3粉末、ZrO2粉末以及CeO2粉末，将这四种粉末依次倒入球磨罐中，再倒入无水乙醇使粉末溶解；
所采用Yb2O3粉末，Sm2O3粉末ZrO2粉末以及CeO2粉末纯度均≥99.99%。
2）将球磨罐放入行星球磨机中球磨，球磨转速为500 rpm，时间为16 h，得到均匀的混合溶液；
3）将得到的混合溶液经过干燥，放入马弗炉进行高温固相反应后得到所需的(Sm0.7Yb0.3)2(Zr0.7Ce0.3)2O7陶瓷粉体；
干燥温度为80 ℃，时间为12 h，高温固相反应温度为1500 ℃，时间为4 h。
4）将得到的陶瓷粉体经过研磨、过筛、PVA造粒以及干压成型，再通过马弗炉进行排胶、烧结后得到所需的(Sm0.7Yb0.3)2(Zr0.7Ce0.3)2O7陶瓷块材。
步骤4）中PVA浓度为5%，目的是增强陶瓷粉末的可塑性，达到造粒效果。过筛的目数为200目，干压成型的一次加压的压力为200 MPa，时间为60 s，二次加压的压力为160MPa，时间为30 s，排胶温度550 ℃，时间为2 h，烧结温度为1500 ℃，时间为5 h。
CMAS腐蚀试验：将制备的(Sm0.7Yb0.3)2(Zr0.7Ce0.3)2O7陶瓷块材表面抛光，并按30mg/cm2的密度均匀地将33CaO-9MgO-7Al2O3-45SiO2（CMAS）粉末涂敷在样品表面。随后一并放入加热到1300℃的马弗炉中，分别加热5 h、10 h和20 h，通过SEM观察CAMS腐蚀样品情况。
对比例1
一种镱掺杂锆铈酸钐热障涂层材料的制备方法，包括以下步骤：
1）首先根据n(Sm)：n(Zr)：n(Ce)=1：0.7：0.3的摩尔比计算氧化物的用量，然后称取所需量的Sm2O3粉末、ZrO2粉末以及CeO2粉末，将这三种粉末依次倒入球磨罐中，再倒入无水乙醇使粉末溶解；
所采用Sm2O3粉末ZrO2粉末以及CeO2粉末纯度均≥99.99%。
2）将球磨罐放入行星球磨机中球磨，球磨转速为500 rpm，时间为16 h，得到均匀的混合溶液；
3）将得到的混合溶液经过干燥，放入马弗炉进行高温固相反应后得到所需的Sm2(Zr0.7Ce0.3)2O7陶瓷粉体；
干燥温度为80 ℃，时间为12 h，高温固相反应温度为1500 ℃，时间为4 h。
4）将得到的陶瓷粉体经过研磨、过筛、PVA造粒以及干压成型，再通过马弗炉进行排胶、烧结后得到所需的Sm2(Zr0.7Ce0.3)2O7陶瓷块材。
步骤4）中PVA浓度为5%，目的是增强陶瓷粉末的可塑性，达到造粒效果。过筛的目数为200目，干压成型的一次加压的压力为200 MPa，时间为60 s，二次加压的压力为160MPa，时间为30 s，排胶温度550 ℃，时间为2 h，烧结温度为1500 ℃，时间为5 h。
CMAS腐蚀试验：将制备的Sm2(Zr0.7Ce0.3)2O7陶瓷块材表面抛光，并按30 mg/cm2的密度均匀地将33CaO-9MgO-7Al2O3-45SiO2（CMAS）粉末涂敷在样品表面。随后一并放入加热到1300℃的马弗炉中，分别加热5 h、10 h和20 h，通过SEM观察CAMS腐蚀样品情况。
性能测试
由图1可知，通过固相反应法合成的(Sm1-xYbx)2(Zr0.7Ce0.3)2O7(x的范围为0.1≤x≤0.3)材料具有缺陷萤石结构的特征锋(111)、(220)、(200)，因此不同比例Yb稀土掺杂的锆铈酸钐热障涂层材料均为缺陷萤石结构，并且从实施例1~3与对比例1的表面形貌可知，陶瓷材料表面致密，孔隙率较低，如图2所示。
由图3~图6的表面形貌可知，实施例1~3的(Sm1-xYbx)2(Zr0.7Ce0.3)2O7陶瓷与对比例1的Sm2(Zr0.7Ce0.3)2O7陶瓷，经过CMAS腐蚀5 h后，表面均有残留的CMAS，证明这四种热障涂层材料在腐蚀前期均具有一定的抗CMAS腐蚀能力。CMAS腐蚀10 h后，从对比例1与实施例1的表面均能看到互反应层；对于实施例2和实施例3，依然能看到残留CMAS，证明大量的CMAS被阻挡在互反应层外，说明(Sm0.8Yb0.2)2(Zr0.7Ce0.3)2O7与(Sm0.7Yb0.3)2(Zr0.7Ce0.3)2O7陶瓷在CMAS腐蚀中期依然保持较好的抗腐蚀性能。CMAS腐蚀20 h后，四种陶瓷材料均因腐蚀反应看到互反应层。但可以看出，随着Yb掺杂含量的增加，球状结构的萤石(四方相ZrO2)占比减小，棒状结构的磷灰石(Yb8Ca2Si6O26)占比增大，而在CMAS腐蚀的中后期，磷灰石生成量越多，阻碍CMAS渗透的能力越强。这是因为，离子半径较小的Yb3+比Sm3+更容易形成磷灰石，随着Yb3+离子掺杂含量的增加，可以提高磷灰石相结晶速度，当CMAS腐蚀过程中的磷灰石生成速率大于CMAS的渗透速率，受CMAS腐蚀较轻，提高了热障涂层材料的抗CMAS腐蚀性能。
从图3~图6的截面形貌可知，在上述四种热障涂层材料中，其顶部为CMAS熔融玻璃层，中间为互反应层，下面为未受到腐蚀的陶瓷层。可明显看出，相同CMAS腐蚀时间下，随着Yb掺杂比例增加，四种热障涂层材料的互反应层厚度减小。随着CMAS腐蚀时间延长，实施例2和3的反应层厚度增长比实施例1和对比例1的小。
综上，本发明的镱掺杂锆铈酸钐热障涂层材料比锆铈酸钐热障涂层材料更具优异的抗CMAS腐蚀性能，有望应用于新一代高推重比航空发动机热障涂层领域。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种镱掺杂锆铈酸钐热障涂层材料，其特征在于，所述涂层材料为单相缺陷萤石型结构，微观形貌平整，相对密度达到95.43%~96.89%，所述涂层材料的化学式记为(Sm1-xYbx)2(Zr0.7Ce0.3)2O7，其中x的数值范围为0.1~0.3。
2.根据权利要求1所述的镱掺杂锆铈酸钐热障涂层材料，其特征在于，n(Yb)：n(Sm)：n(Zr)：n(Ce)=x：(1-x)：0.7：0.3，其中0.1≤x≤0.3。
3.权利要求1所述的镱掺杂锆铈酸钐热障涂层材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1. 根据镱掺杂锆铈酸钐热障涂层材料中元素的摩尔比计算氧化物的用量，称取对应量的Yb2O3粉末、Sm2O3粉末、CeO2粉末以及ZrO2粉末，并将这四种粉末依次倒入球磨罐中，再加入无水乙醇，使得混合粉末充分溶解；
步骤S2. 将球磨罐放入行星球磨机中球磨，得到均匀的混合溶液；
步骤S3. 将混合溶液经过干燥、高温固相反应，得到粉末；
步骤S4. 将步骤S3得到的粉末经过研磨、过筛、PVA造粒、干压成型、排胶、高温烧结处理后，得到化学式为(Sm1-xYbx)2(Zr0.7Ce0.3)2O7的镱掺杂锆铈酸钐热障涂层材料。
4.根据权利要求3所述的镱掺杂锆铈酸钐热障涂层材料的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述Yb2O3粉末、Sm2O3粉末、CeO2粉末以及ZrO2粉末的纯度均≥99.99%。
5.根据权利要求3所述的镱掺杂锆铈酸钐热障涂层材料的制备方法，步骤S2中所述球磨的转速为450-550 rpm，时间为15-16 h。
6.根据权利要求3所述的镱掺杂锆铈酸钐热障涂层材料的制备方法，其特征在于，步骤S3中的干燥温度为80-100℃，时间为10-12 h，高温固相反应温度为1450-1500℃，时间为4-5 h。
7.根据权利要求3所述的镱掺杂锆铈酸钐热障涂层材料的制备方法，其特征在于，步骤S4中过筛的目数为200目，干压成型的第一次加压为180-200 MPa，时间为60-70 s，第二次加压为160-170 MPa，时间为30-35 s，排胶的温度为500-550℃，时间为2-3 h，烧结温度为1450-1500℃，时间为5-6 h。
8.权利要求3-7之一所述的制备方法制得的镱掺杂锆铈酸钐热障涂层材料 用于制备航空发动机热端构件表面的热障涂层，其特征在于，所述热障涂层具有抗CMAS腐蚀性能。
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101104557A (zh) * 2007-08-10 2008-01-16 哈尔滨工业大学 高温热障涂层用纳米稀土锆酸盐陶瓷粉体材料及制备方法
CN103145421A (zh) * 2013-03-26 2013-06-12 铁道警官高等专科学校 钆锆双位掺杂Sm2Ce2O7热障涂层陶瓷材料及其制备方法
CN111471998A (zh) * 2020-05-06 2020-07-31 北京航空航天大学 一种Yb改性防CMAS复合结构热障涂层及其制备方法
CN112960980A (zh) * 2021-03-02 2021-06-15 中国人民解放军国防科技大学 一种超低热导率共掺杂改性烧绿石热障涂层材料及其制备方法
US20210222626A1 (en) * 2020-01-22 2021-07-22 U.S. Army Combat Capabilities Development Command Army Research Laboratory Functionally graded sandphobic blended composite coatings
CN115466114A (zh) * 2022-08-01 2022-12-13 华东理工大学 一种高韧性长寿命超高温热障涂层材料及其制备方法和应用

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101104557A (zh) * 2007-08-10 2008-01-16 哈尔滨工业大学 高温热障涂层用纳米稀土锆酸盐陶瓷粉体材料及制备方法
CN103145421A (zh) * 2013-03-26 2013-06-12 铁道警官高等专科学校 钆锆双位掺杂Sm2Ce2O7热障涂层陶瓷材料及其制备方法
US20210222626A1 (en) * 2020-01-22 2021-07-22 U.S. Army Combat Capabilities Development Command Army Research Laboratory Functionally graded sandphobic blended composite coatings
CN111471998A (zh) * 2020-05-06 2020-07-31 北京航空航天大学 一种Yb改性防CMAS复合结构热障涂层及其制备方法
CN112960980A (zh) * 2021-03-02 2021-06-15 中国人民解放军国防科技大学 一种超低热导率共掺杂改性烧绿石热障涂层材料及其制备方法
CN115466114A (zh) * 2022-08-01 2022-12-13 华东理工大学 一种高韧性长寿命超高温热障涂层材料及其制备方法和应用

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
PANJIE HUO ET AL.: "《Microstructures and Properties of Sm2(Zr0.7Ce0.3)2O7/8YSZ Double-Ceramic-Layer Thermal Barrier Coatings Deposited by Atmospheric Plasma Spraying》", 《J THERM SPRAY TECH》, no. 28, 7 May 2019 (2019-05-07), pages 986 - 999 *

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